I fisici nucleari hanno scoperto la profonda influenza della gravità su scala quantistica, rivelando per la prima volta la distribuzione della stessa all’interno dei protoni. Questa ricerca innovativa, che combina intuizioni teoriche storiche con dati sperimentali moderni, offre una comprensione senza precedenti delle dinamiche interne del protone e pone le basi per future scoperte nella scienza nucleare.
L’influenza della gravità
L’influenza della gravità è inequivocabilmente evidente in tutto l’Universo osservabile. I suoi effetti sono stati osservati nelle orbite sincronizzate delle lune attorno ai pianeti, nelle comete che deviano dal loro percorso a causa dell’attrazione gravitazionale di grandi stelle e nelle maestose spirali di enormi galassie. Questi magnifici fenomeni hanno evidenziato il ruolo della gravità sulle più grandi scale della materia.
Una nuova ricerca condotta presso la Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, tuttavia, ha utilizzato un metodo che collega le teorie della gravità alle interazioni tra le più piccole particelle di materia.
Lo studio ha rivelato per la prima volta, un’istantanea della distribuzione della forza all’interno del protone. Questa istantanea ha descritto in dettaglio lo stress di taglio che la forza può esercitare sulle particelle di quark che lo compongono. Il risultato è stato recentemente pubblicato sulla rivista Reviews of Modern Physics.
Secondo l’autore principale Volker Burkert, scienziato del Jefferson Lab, la misurazione ha rivelato informazioni sull’ambiente vissuto dagli elementi costitutivi del protone, che sono costituiti da tre quark legati insieme dalla forte forza.
Burkert ha spiegato: “Per estrarre un quark da un protone, dovrebbe essere applicata una forza equivalente a quattro tonnellate. La natura, ovviamente, non ci permette di fare questo a causa di una proprietà chiamata ‘colore’. Esistono tre colori che mescolano i quark nel protone per farlo apparire incolore dall’esterno, un requisito per la sua esistenza nello spazio. Cercare di estrarre un quark colorato produrrebbe una coppia quark/antiquark incolore, un mesone. Quindi, le 4 tonnellate sono un’illustrazione della forza intrinseca del protone”.
Il risultato è solo la seconda delle proprietà meccaniche del protone da misurare, le quali includono la sua pressione interna (misurata nel 2018), la sua distribuzione di massa (dimensione fisica), il suo momento angolare e il suo stress di taglio. Il risultato è stato reso possibile grazie ad una previsione vecchia di mezzo secolo e da dati raccolti in due decenni.
A metà degli anni ’60, è stato teorizzato che se i fisici nucleari fossero riusciti a vedere come la gravità interagisce con le particelle subatomiche, tali esperimenti avrebbero potuto rivelare direttamente le proprietà meccaniche del protone.
Latifa Elouadhriri, scienziata dello staff del Jefferson Lab e coautrice dello studio, ha dichiarato: “A quel tempo non c’era modo. Se confrontiamo la gravità con la forza elettromagnetica, ad esempio, ci sono 39 ordini di grandezza di differenza”.
I dati vecchi di decenni provenivano da esperimenti condotti con il CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility) del Jefferson Lab, una struttura utilizzata dal DOE Office of Science. Un tipico esperimento CEBAF implicherebbe che un elettrone energetico interagisca con un’altra particella scambiando con la stessa un pacchetto di energia e un’unità di momento angolare chiamata fotone virtuale. L’energia dell’elettrone determina con quali particelle interagisce e come risponde.
Nell’esperimento, una forza addirittura molto maggiore delle quattro tonnellate necessarie per estrarre una coppia quark/antiquark è stata applicata al protone dal fascio di elettroni altamente energetico che interagiva con esso in un bersaglio di idrogeno liquefatto.
Elouadhriri ha affermato: “Abbiamo sviluppato il programma per studiare in modo approfondito lo scattering Compton virtuale dove si ha un elettrone che scambia un fotone virtuale con lo stesso. E nello stato finale, il protone è rimasto uguale ma si è ritirato, producendo un vero fotone altamente energetico, più l’elettrone disperso. Al momento in cui abbiamo raccolto i dati, non eravamo consapevoli che oltre all’immagine tridimensionale che volevamo osservare, stavamo anche raccogliendo i dati necessari per accedere alle proprietà meccaniche del protone”.
Il team ha scoperto che questo processo specifico – lo scattering Compton profondamente virtuale (DVCS) – potrebbe essere collegato al modo in cui la gravità interagisce con la materia. La versione generale di questa connessione è stata teorizzata nel libro del 1973 sulla teoria generale della relatività di Einstein intitolato “Gravitazione” di Charles W. Misner, Kip S. Thorne e John Archibald Wheeler.
In esso, hanno scritto gli autori: “Qualsiasi campo senza massa con spin 2 darebbe origine a una forza indistinguibile dalla gravitazione, poiché un campo senza massa con spin 2 si accoppierebbe al tensore stress-energia nello stesso modo in cui lo fanno le interazioni gravitazionali”.
Tre decenni dopo, il teorico Maxim Polyakov ha dato seguito a questa idea stabilendo le basi teoriche che collegano il processo DVCS e l’interazione gravitazionale.
Burkert ha spiegato: “Questa svolta teorica ha stabilito la relazione tra la misurazione dello scattering Compton profondamente virtuale e il fattore di forma gravitazionale, e siamo stati in grado di usarlo per la prima volta”.
Una descrizione più dettagliata delle connessioni tra il processo DVCS e l’interazione gravitazionale può essere trovata in un articolo che descrive il primo risultato ottenuto da questa ricerca.
I ricercatori hanno affermato che il loro prossimo passo sarà lavorare per estrarre le informazioni di cui hanno bisogno dai dati DVCS esistenti per consentire la prima determinazione della dimensione meccanica del protone. Sperano anche di trarre vantaggio da esperimenti nuovi, con statistiche più elevate e con energia superiore.
Nel frattempo, i coautori dello studio sono rimasti stupiti dalla pletora di nuovi sforzi teorici, dettagliati in centinaia di pubblicazioni, che hanno iniziato a sfruttare questa scoperta per esplorare le proprietà meccaniche del protone.
Burkert e Elouadhriri hanno concluso: “Ora ci troviamo in una nuova era di scoperte con il Piano a lungo termine per le scienze nucleari pubblicato di recente, questo sarà un pilastro importante nello sviluppo di nuove strutture e rilevatori”.
