Il protone e l’antimateria al suo interno

Trent'anni fa, i ricercatori hanno scoperto qualcosa di sorprendente all'interno del protone. I teorici si aspettavano che contenesse diversi tipi di antimateria; invece, gli antiquark down sembravano essere significativamente più numerosi degli antiquark up

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Spesso sentiamo dire che l’antimateria viene riscontrata in casi rari o prodotta negli acceleratori di particelle. In realtà, i protoni, particelle caricate positivamente che con i neutroni costituiscono i nuclei atomici, sono in parte antimateria.

Il protone non è una particella elementare, ma è composto da tre particelle chiamate quark: due quark “up” e un quark “down”, le cui cariche elettriche (+2/3 e −1/3, rispettivamente) si combinano per dare al protone la sua carica +1.

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Questo è un modo semplicistico di raccontare il protone che omette una storia strana e ancora irrisolta.

In realtà, l’interno del protone è un vorticare di sei tipi di quark, le loro controparti di antimateria, gli “antiquark” e i “gluoni” che incollano i quark tra loro. Questo vortice ribollente di particelle finisce per stabilizzarsi in una tripletta di quark che danno origine al protone.

Trent’anni fa, i ricercatori hanno scoperto qualcosa di sorprendente all’interno del “mare di protoni”.

I teorici si aspettavano che contenesse diversi tipi di antimateria; invece, gli antiquark down sembravano essere significativamente più numerosi degli antiquark up. Dieci anni dopo, sono state osservate variazioni nel rapporto antiquark up e down. Tuttavia i risultati erano al limite della sensibilità dell’esperimento.

Così, 20 anni fa, Geesaman e Paul Reimer, hanno ideato un nuovo esperimento.

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Quell’esperimento, chiamato SeaQuest, è finalmente terminato e i ricercatori riportano le loro scoperte sulla rivista Nature.

Hanno misurato l’antimateria interna del protone in modo molto dettagliato scoprendo che ci sono, in media, 1,4 antiquark down per ogni antiquark up.

I dati ottenuti portano a due modelli teorici dell’interno dei protoni.

Uno dei modelli è chiamato “nuvola di pioni“, un approccio vecchio di decenni che enfatizza la tendenza del protone ad emettere e riassorbire particelle chiamate pioni, che appartengono a un gruppo di particelle note come mesoni.

L’altro modello, è il modello statistico, e vede il protone come un contenitore pieno di gas.

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In futuro grazie a nuovi esperimenti i ricercatori sceglieranno quale, tra i due modelli, sia quello corretto.

Qualunque sia il modello, i dati di SeaQuest sull’antimateria all’interno del protone saranno utili ai fisici che fanno collidere protoni nel Large Hadron Collider del CERN di Ginevra.

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Se i fisici conoscono meglio cosa producono i protoni che collidono possono studiare meglio le particelle prodotte nella collisione cercando nuove particelle o nuovi effetti.

Juan Rojo della VU University Amsterdam, che studia i dati di LHC, ha detto che la misurazione SeaQuest “potrebbe avere un grande impatto” sulla ricerca di nuova fisica, che attualmente è “limitata dalla nostra conoscenza della struttura del protone, in particolare del suo contenuto di antimateria “.

Nel 1964, Murray Gell-Mann e George Zweig proposero indipendentemente il modello a quark, dove protoni, neutroni e altre particelle rare sono composte da tre quark, mentre pioni e altri mesoni sono composto da un quark e un antiquark.

Lo schema dava un senso alle particelle prodotte copiosamente negli acceleratori di particelle ad alta energia, dal momento che il loro spettro di cariche poteva essere costruito da associazioni di due o tre quark.

Intorno al 1970, i ricercatori dell’acceleratore SLAC di Stanford sembrarono confermare il modello a quark quando, facendo collidere elettroni veloci con i protoni, osservarono gli elettroni rimbalzare su particelle contenute all’interno dei protoni stessi.

Ma il quadro divenne presto più complicato. “Quando abbiamo iniziato a provare a misurare le proprietà dei tre quark, abbiamo scoperto che c’erano altre cose nel protone”, ha spiegato Chuck Brown, un membro del team SeaQuest del Fermi National Accelerator Laboratory che ha lavorato su esperimenti con i quark dagli anni ’70.

L’esame della quantità di moto dei tre quark indicava che le loro masse rappresentavano una piccola frazione della massa totale del protone.

Inoltre, quando SLAC ha accelerato gli elettroni rendendoli ancora più veloci, i ricercatori hanno visto gli elettroni rimbalzare su ulteriori particelle contenute nei protoni. Più veloci sono gli elettroni, più brevi sono le loro lunghezze d’onda, il che li rende sensibili alle caratteristiche a grana più fine del protone.

I risultati hanno cominciato ad avere più senso quando i fisici hanno elaborato la teoria che si avvicina di più al modello a quark: la cromodinamica quantistica, o QCD. Formulata nel 1973, la QCD descrive la “forza forte” in cui particelle chiamate gluoni legano i quark che formano i protoni.

La QCD predice il vero vortice osservato dagli esperimenti di scattering. Le complicazioni sorgono perché i gluoni sentono la stessa forza che trasportano. Questo comportamento crea un pantano all’interno del protone, dando modo ai gluoni di sorgere, proliferare e scindersi in coppie quark-antiquark di breve durata.

Quark e antiquark ravvicinati e con carica opposta si annullano. (Solo tre quark di “valenza” sbilanciati – due su e uno giù – contribuiscono alla carica complessiva del protone). Ma i fisici si sono resi conto che quando hanno utilizzato elettroni più veloci, stavano colpendo piccoli bersagli.

I gluoni rendono le equazioni QCD generalmente irrisolvibili, quindi i fisici non possono calcolare le previsioni precise della teoria. Ma non avevano motivo di pensare che i gluoni dovessero dividersi più spesso in un tipo di coppia quark-antiquark – il tipo down – rispetto ad altri tipi di coppie.

“Ci aspetteremmo che vengano prodotte quantità uguali di entrambi”, ha detto Mary Alberg, teorica nucleare dell’Università di Seattle.

Da qui lo shock quando, nel 1991, la New Muon Collaboration di Ginevra disperse i muoni, (particelle a carica negativa ma più pesanti degli elettroni), fuori dai protoni e dai deuteroni (costituiti da un protone e un neutrone). La Alberg confrontò i risultati e dedusse che all’interno dei protoni venivano prodotti più antiquark down che antiquark up.

I teorici hanno escogitato una serie di possibili teorie per spiegare l’asimmetria del protone. Dagli anni ’40 hanno osservato protoni e neutroni emettere pioni all’interno dei nuclei atomici. Si sono resi conto che un protone può emettere e riassorbire un pione caricato positivamente, trasformandosi in un neutrone.

In particolare, il protone si trasforma in un neutrone e in un pione composto da un quark up e un antiquark down. Poiché questo pione fantasma ha un antiquark down, teorici come Alberg, Gerald Miller e Tony Thomas hanno sostenuto che l’idea della nuvola di pioni spiega il surplus di antiquark misurato del protone.

Claude Bourrely con i suoi collaboratori in Francia hanno sviluppato il modello statistico, che tratta le particelle interne del protone come se fossero molecole di gas in una stanza, muovendosi a una distribuzione di velocità che dipende dal fatto che possiedano quantità intere o semintere di momento angolare.

Quando è stato accordato per adattarsi ai dati dei numerosi esperimenti di scattering, il modello ha individuato un eccesso di antiquark.

I modelli non hanno fatto previsioni identiche. Gran parte della massa totale del protone proviene dall’energia delle singole particelle che irrompono dentro e fuori dal mare del protone e queste particelle trasportano una gamma di energie.

I modelli hanno fatto previsioni diverse su come il rapporto tra antiquark down e up dovrebbe cambiare quando si contano gli antiquark che trasportano più energia. I fisici misurano una quantità correlata chiamata frazione di momento dell’antiquark.

Quando l’esperimento “NuSea” al Fermilab ha misurato il rapporto down-to-up in funzione della quantità di moto dell’antiquark nel 1999, i dati suggerivano che tra gli antiquark che si trovavano proprio all’estremità del raggio di rilevamento dell’apparato – gli antiquark up sono diventati improvvisamente più diffusi rispetto ai down.

Geesaman e Reimer, che lavoravano su NuSea sapevano che i dati al limite spesso non sono affidabili, decisero quindi di costruire un esperimento per esplorare più facilmente un intervallo di quantità di moto degli antiquark più ampio. Lo chiamavano SeaQuest.

Geesaman e Reimer acquistarono alcuni vecchi scintillatori da un laboratorio di Amburgo, rilevatori di particelle dal Los Alamos National Laboratory e lastre di ferro che bloccano le radiazioni utilizzate in un ciclotrone alla Columbia University negli anni ’50.

Una volta assemblata, la macchina ha iniziato a funzionare. Nell’esperimento, i protoni colpiscono due bersagli: una fiala di idrogeno, che è essenzialmente composta da protoni, e una fiala di deuterio – atomi con un protone e un neutrone nel nucleo.

Quando un protone colpisce uno dei bersagli, uno dei suoi quark di valenzae si annichilisce con uno degli antiquark nel protone o neutrone bersaglio. Il processo produce un muone e un antimuone.

Queste particelle, insieme ad altre “cianfrusaglie” prodotte nella collisione, incontrano le lastre di ferro. I muoni passano; tutto il resto si ferma. Rilevando i muoni e ricostruendo i loro percorsi e velocità originali, si può calcolare quale frazione di momento trasportano gli antiquark.

Poiché protoni e neutroni si specchiano l’un l’altro – ognuno ha particelle di tipo up al posto delle particelle di tipo down dell’altro e viceversa – il confronto dei dati delle due fiale indica direttamente il rapporto tra antiquark down e antiquark up nel protone.

Nel 2019, Alberg e Miller hanno calcolato ciò che SeaQuest dovrebbe osservare sulla base dell’idea della nuvola di pioni. La loro previsione corrisponde bene ai nuovi dati SeaQuest.

I nuovi dati mostrano un rapporto in aumento, poi in stabilizzazione, concordano con il modello statistico più flessibile di Bourrely.

Eppure Miller chiama questo modello rivale “descrittivo, piuttosto che predittivo“, poiché è sintonizzato per adattarsi ai dati piuttosto che per identificare un meccanismo fisico dietro l’eccesso di antiquark.

Al contrario, “la cosa di cui sono davvero orgoglioso nei nostri calcoli è che si trattava di una vera previsione“, ha detto Alberg. “Non abbiamo composto alcun parametro“.

In una e-mail, Bourrely ha affermato che “il modello statistico è più potente di quello di Alberg e Miller“, poiché tiene conto degli esperimenti di scattering in cui le particelle sono polarizzate e non sono polarizzate.

Miller non era d’accordo, osservando che le nuvole di pioni spiegano non solo il contenuto di antimateria del protone, ma anche i momenti magnetici, le distribuzioni di carica e i tempi di decadimento delle varie particelle, nonché il “legame, e quindi l’esistenza, di tutti i nuclei.

Ha aggiunto che il meccanismo del pione è “importante nel senso ampio del perché esistono i nuclei, e del perché esistiamo”.

Nella ricerca finale per comprendere il protone, il fattore decisivo potrebbe essere il suo spin, o momento angolare intrinseco. Un esperimento di dispersione dei muoni effettuato alla fine degli anni ’80 ha mostrato che gli spin dei tre quark di valenza del protone rappresentano non più del 30% dello spin totale del protone.

Cosa contribuisce il restante 70%? Ancora una volta, ha detto Brown, il veterano del Fermilab, “deve succedere qualcos’altro“.

Al Fermilab, e infine al futuro Electron-Ion Collider del Brookhaven National Laboratory, gli sperimentatori sonderanno lo spin del mare di protoni. Alberg e Miller stanno già lavorando sui calcoli dell’intera “nube di mesoni” che circonda i protoni, che include, insieme ai pioni, i “mesoni rho” più rari. 

I pioni non possiedono spin, ma i mesoni rho sì, quindi devono contribuire allo spin complessivo del protone in un modo che Alberg e Miller sperano di determinare.

L’esperimento SpinQuest del Fermilab, che coinvolge molte delle stesse persone di SeaQuest, è “quasi pronto per partire”, ha detto Brown. 

“Con un po’ di fortuna prenderemo i dati questa primavera; dipenderà – almeno in parte – dall’andamento del vaccino contro il virus. È un po’ divertente che una domanda così profonda e oscura all’interno del nucleo dipenda dalla risposta di questo paese al virus COVID. Siamo tutti interconnessi, no?”