Sembra che il raggio di massa del protone sia più corto del raggio della carica – Ars Technica

Se chiedi quanto pesa un oggetto come una bicicletta, c’è una risposta semplice. Ma se chiedi dov’è la massa della bici, le cose si complicano un po’. Una bicicletta ha molte parti, alcune delle quali si muovono, che sono tutte di dimensioni, forme e densità diverse, quindi la sua massa è distribuita in modo irregolare attorno alla sua forma.

In una certa misura, questo è analogo alla domanda su dov’è la massa di un protone. Un protone è un insieme di quark e gluoni che si muovono a velocità relativistiche attorno a un punto centrale. Sarebbe difficile dire dove sarebbe la sua vita di gruppo anche senza il fatto che l’analogia con le biciclette fallisce completamente a causa di un fatto imbarazzante: un protone pesa molto più dei suoi quark costituenti, e i gluoni che tengono insieme i quark sono privi di massa. Infatti, la massa delle particelle coinvolte è alquanto irrilevante. “Se fai calcoli in cui imposti la massa del quark a zero, un protone è praticamente la stessa cosa”, ha detto ad Ars il fisico Sylvester Johannes Josten.

Invece, gran parte della massa di un protone deriva dalla densità di energia incredibilmente alta generata dalle forti interazioni di forza dei gluoni. Quindi, per capire la massa di un protone, dobbiamo capire cosa devono fare i gluoni. Il che, essendo senza massa e senza carica, è estremamente difficile da fare. Ma alcuni lavori sperimentali hanno creato un valore per il raggio di massa del protone, che descrive la distribuzione della massa all’interno della particella. E si scopre che il valore è significativamente diverso dal raggio della carica del protone.

Inalazione di gluoni

I gluoni senza massa o carica sono molto difficili da rilevare; Principalmente deduciamo dove devono trovarsi dai detriti che aiutano a creare nelle collisioni di particelle. In una certa misura, possiamo modellare il loro comportamento, ma questo è descritto principalmente dalla cromodinamica quantistica, che è leggendaria per la sua capacità di mettere in ginocchio enormi risorse computazionali. Quindi anche i nostri migliori modelli di comportamento dei gluoni sono approssimazioni.

Se la massa di un protone dipende principalmente dai suoi gluoni, allora, e non possiamo sapere cosa stanno facendo i gluoni, come possiamo sapere cosa sta succedendo?

Il trucco era identificare un processo che fosse rilevabile, ma sensibile alla presenza di gluoni. Questo processo è la conversione dell’energia (sotto forma di luce) in materia. Nello specifico, un fotone di energia sufficiente può essere convertito in un cosiddetto mesone J, costituito da un quark charm e da un antiquark charm attraverso un delicato processo di formazione di gluoni in eventuali protoni vicini. Misurando la produzione di J/mesoni, è possibile determinare qualcosa chiamato fattori di forma gravitazionali del gluone, che descrivono dove si trova la massa in un protone.

Come farlo è, beh, complesso quasi quanto la descrizione del processo nel paragrafo precedente. Inizia con un raggio di elettroni ad alta energia, prodotto presso la Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Questi elettroni vengono quindi spostati avanti e indietro nella loro direzione di viaggio in un processo dal nome molto tecnico: dimenare. Questo fa sì che perdano energia, che rilasciano sotto forma di fotoni ad alta energia.

Questi fotoni vengono quindi inviati attraverso una camera contenente un contenitore di idrogeno liquido. Durante l’attraversamento del bacino alcuni fotoni verranno convertiti in mesoni J/ che decadranno istantaneamente. Due dei prodotti di questo decadimento sono l’elettrone e il positrone, che possono essere catturati dai rivelatori, permettendo di registrare la produzione di mesoni J/. Sulla base di queste scoperte, è possibile rielaborare e scoprire i fattori di forma della gravità dei gluoni.

(Nota che non sto nemmeno cercando di trovare un’analogia per i fattori di forma gravitazionali del gluone che ti aiuterebbe a capirli. Sono descritti nell’articolo come “elementi di matrice del tensore energia-impulso di un protone e codificano le proprietà meccaniche del protone, mentre l’effetto di anomalia del tensore energia-impulso è una componente importante dell’origine della massa secondo la cromodinamica quantistica.” Devi solo fidarti di tutte le persone coinvolte che è una terminologia che aiuta a descrivere la relazione tra gluoni e massa. )

Qui e li

Con i dati disponibili, tutto ciò di cui i ricercatori avevano bisogno era un modello del comportamento dei gluoni per mettere in relazione le loro scoperte con ciò che accade all’interno del protone. Sfortunatamente, i fisici hanno prodotto diversi modelli, ancora una volta perché il calcolo diretto di qualsiasi cosa che coinvolga la cromodinamica quantistica è quasi impossibile sull’hardware attuale. Quindi, i modelli disponibili sono per lo più modi alternativi di fare approssimazioni che consentono ai computer di produrre qualcosa di utile.

Per la maggior parte, una varietà di stime ha prodotto risposte abbastanza simili, anche se le cose sono andate un po’ peggio con i fotoni di energia inferiore, che hanno a malapena energia sufficiente per convertirsi in qualcosa con J/m di massa. Tuttavia, approcci diversi forniscono un accordo approssimativo su dove si trova la massa del protone, e quindi il raggio di massa del protone.

La cosa sorprendente del risultato è che differisce dal raggio della carica di un protone. Mentre ci sono alcune differenze tra i diversi metodi di misurazione del raggio di una carica (tuttavia), le differenze sono relativamente minori. E tutte le misurazioni separano il raggio della carica dal raggio della massa. Poiché la carica è un prodotto dei quark, ciò indica che queste particelle orbitano regolarmente al di fuori della regione frequentata dai gluoni che sono impegnati a tenere insieme l’intero protone.

Ma Justine ha detto che ci sono indizi che la situazione sia più complicata. Le reazioni che hanno formato i mesoni J hanno richiesto lo scambio di gluoni con i loro spin allineati. È anche possibile scambiare gluoni che hanno spin opposti, chiamata interazione scalare. E ci sono alcuni indizi che anche il raggio standard è diverso.

“Dovresti aspettarti di vedere alcuni raggi standard”, ha detto Justin. “Vediamo qualcosa di enorme. È molto più grande, come questo grande alone che circonda il protone”.

Un avvertimento qui è che Joosten ha detto che i risultati sono molto preliminari: “Questo non è qualcosa che abbiamo trovato, questo è qualcosa che vorremmo indagare nelle prove future”. L’altro è che il suo uso del termine “enorme” è relativo; Tutto questo accade all’interno di una particella subatomica.

Ma se i risultati reggono, indicano che un protone ha almeno tre raggi distinti – carica, massa e calibro – e sono tutti di lunghezze diverse.

Ed è qui che l’analogia con la bicicletta potrebbe ricominciare ad avere senso. Dopotutto, non ti aspetti che il centro di massa di una bicicletta si trovi nella stessa posizione dei suoi pedali o dove avviene lo sterzo. Sebbene sia un singolo organismo, la sua natura composita significa che questi diversi aspetti del suo comportamento non sono necessariamente locali in comune. Lo stesso sembra essere vero per il protone.

Natura, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-05730-4 (sui DOI).