I ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo che unisce dati sperimentali con calcoli avanzati per esplorare come i gluoni contribuiscono allo spin del protone, rivelando dinamiche complesse e aprendo la strada a future immagini tridimensionali del protone.
La forza forte e i gluoni: un ruolo misterioso nello spin del protone
Una nuova ricerca che combina approcci sperimentali e computazionali ha fornito informazioni più approfondite sui contributi allo spin del protone da parte dei gluoni. I fisici nucleari hanno esplorato instancabilmente le origini dello spin del protone. Un nuovo approccio, che unisce dati sperimentali con calcoli all’avanguardia, ha ora illuminato i contributi allo spin provenienti dai gluoni, le particelle che legano i protoni. Questo progresso apre la strada anche all’immagine tridimensionale della struttura del protone.
Joseph Karpie, ricercatore post-dottorato presso il Centro di fisica teorica e computazionale (Theory Center) del Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell’energia degli Stati Uniti, ha guidato questa ricerca pionieristica.
La ricerca sullo spin del protone ha avuto inizio circa un decennio fa, nel 1987, con le prime misurazioni delle sue sorgenti. I fisici inizialmente hanno ipotizzato che i quark, i mattoni costitutivi del protone, fossero i principali responsabili del suo spin. Tuttavia, le osservazioni hanno smentito questa ipotesi: i quark del protone contribuiscono solo per circa il 30% allo spin totale misurato. Le rimanenti componenti provengono da due ulteriori fonti, la cui misurazione si è rivelata finora più complessa.
Tra le due sorgenti misteriose dello spin del protone, una è la forza forte, una delle quattro forze fondamentali che governano l’universo. La sua funzione è quella di “incollare” i quark insieme, formando particelle subatomiche come protoni e neutroni. Questa forza si manifesta attraverso i gluoni, particelle che si presume contribuiscano allo spin del protone.
Il contributo residuo allo spin è invece attribuito al movimento dei quark e dei gluoni all’interno del protone. La loro dinamica interna influenza lo spin complessivo della particella.
Per comprendere appieno lo spin del protone, è necessario determinare con precisione il contributo di ciascuna di queste tre componenti. La forza forte, con i suoi gluoni, e il movimento dei quark e dei gluoni rappresentano ancora elementi misteriosi in questo complesso meccanismo.
Gluoni e spin del protone: risultati contrastanti da esperimenti e analisi
Karpie ha dichiarato: “Questo articolo rappresenta la convergenza di due gruppi del Theory Center che hanno collaborato per approfondire un aspetto chiave della fisica: il contributo dei gluoni allo spin del protone, ovvero la sua velocità di rotazione”.
La ricerca è stata ispirata da un risultato inaspettato emerso dalle prime misurazioni sperimentali dello spin dei gluoni, condotte presso il Relativistic Heavy Ion Collider, una struttura del DOE situata presso il Brookhaven National Laboratory di New York. I dati iniziali suggerivano un ruolo positivo dei gluoni nello spin del protone, ma un’analisi più approfondita ha rivelato un quadro più complesso.
Karpie ha aggiunto: “Con il perfezionamento dell’analisi, sono emerse due serie di risultati contrastanti: uno positivo e l’altro negativo”.
Mentre il precedente risultato positivo indicava che gli spin dei gluoni sono allineati con quello del protone, l’analisi migliorata ha permesso la possibilità che gli spin dei gluoni abbiano un contributo negativo complessivo. In tal caso, una maggiore parte dello spin del protone proverrebbe dal movimento dei quark e dei gluoni, o dallo spin dei quark stessi. Questo studio è stato pubblicato sulla rivista Physical Review D.
Spin del protone: calcoli e esperimenti svelano misteri sui gluoni
Mentre un gruppo ha affrontato le misurazioni sperimentali, un altro, la collaborazione HadStruc, ha adottato un approccio computazionale per indagare lo stesso fenomeno. Il loro obiettivo era quello di calcolare la Cromodinamica Quantistica (QCD), la teoria fondamentale che descrive le interazioni tra quark e gluoni all’interno del protone.
Per rendere questo calcolo complesso accessibile ai supercomputer, i teorici hanno semplificato alcuni aspetti della teoria, dando vita alla cosiddetta QCD su reticolo. Karpie ha svolto un ruolo centrale nel riunire i dati di entrambi i gruppi. Ha iniziato integrando i risultati di esperimenti condotti in diverse strutture a livello globale. Successivamente, ha incorporato i dati computazionali ottenuti dalla QCD su reticolo.
David Richards, un ricercatore senior del Jefferson Lab coinvolto nello studio ha spiegato: “Questo lavoro riunisce tutto ciò che sappiamo sullo spin di quark e gluoni, fornendo una visione completa del contributo dei gluoni allo spin del protone in una dimensione. Combinando i dati sperimentali con i calcoli computazionali, abbiamo osservato un cambiamento significativo nei risultati inizialmente negativi. Questo suggerisce che ci siano dinamiche complesse all’opera che richiedono un’ulteriore analisi”.
L’integrazione di dati provenienti da diverse metodologie ha permesso di ottenere una comprensione più profonda del ruolo dei gluoni nello spin del protone. La discrepanza iniziale tra i risultati sperimentali e quelli computazionali ha aperto la strada a nuove ricerche per svelare i meccanismi sottostanti a questo fenomeno complesso.
