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La forza della forza forte

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Molto rumore è stato fatto per il bosone di Higgs quando questa particella sfuggente è stata scoperta nel 2012. Sebbene sia stato pubblicizzato per dare massa alla materia ordinaria, le interazioni con il campo di Higgs generano solo circa l’1% della massa ordinaria. L’altro 99 per cento proviene da fenomeni associati alla forza forte, la forza fondamentale che lega le particelle più piccole chiamate quark in particelle più grandi chiamate protoni e neutroni che costituiscono il nucleo degli atomi della materia ordinaria.

Ora, i ricercatori della Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti hanno studiato sperimentalmente la forza della forza forte, una quantità che supporta fermamente le teorie che spiegano come viene generata la maggior parte della massa o della materia ordinaria nell’universo.

Questa quantità, nota come accoppiamento della forza forte, descrive la forza con cui due corpi interagiscono o “si accoppiano” sotto questa forza. L’accoppiamento della forza forte varia con la distanza tra le particelle interessate dalla forza. Prima di questa ricerca, le teorie non erano d’accordo su come l’accoppiamento di forze forti dovrebbe comportarsi a grande distanza: alcuni prevedevano che dovrebbe crescere con la distanza, altri che dovrebbe diminuire e altri che dovrebbe diventare costante.

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Con i dati del Jefferson Lab, i fisici sono stati in grado di determinare l’accoppiamento di forze forti alle distanze maggiori. I loro risultati, che forniscono un supporto sperimentale per le previsioni teoriche, sono stati recentemente pubblicati sulla copertina della rivista Particles.

Siamo felici ed entusiasti di vedere riconosciuto il nostro impegno“, ha affermato Jian-Ping Chen, scienziato senior del Jefferson Lab e coautore del documento.

Sebbene questo documento sia il culmine di anni di raccolta e analisi di dati, all’inizio non era del tutto intenzionale.

Spin-off di un esperimento di spin

A distanze minori tra i quark, l’accoppiamento di forze forti è piccolo e i fisici possono risolverlo con un metodo iterativo standard. A distanze maggiori, tuttavia, l’accoppiamento di forza forte diventa così grande che il metodo iterativo non funziona più.

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Questa è sia una maledizione che una benedizione“, ha affermato Alexandre Deur, uno scienziato del Jefferson Lab e coautore del documento. “Anche se dobbiamo usare tecniche più complicate per calcolare questa quantità, il suo puro valore scatena una serie di fenomeni emergenti molto importanti“.

Ciò include un meccanismo che rappresenta il 99 per cento della massa ordinaria nell’universo.

Nonostante la sfida di non essere in grado di utilizzare il metodo iterativo, Deur, Chen e i loro coautori hanno estratto un forte accoppiamento di forza alle maggiori distanze di sempre tra i corpi colpiti. Hanno estratto questo valore da alcuni esperimenti del Jefferson Lab che in realtà erano progettati per studiare qualcosa di completamente diverso: spin di protoni e neutroni.

Questi esperimenti sono stati condotti nel Continuous Electron Beam Accelerator Facility del laboratorio, una struttura per utenti DOE. CEBAF è in grado di fornire fasci di elettroni polarizzati, che possono essere diretti su bersagli specifici contenenti protoni e neutroni polarizzati nelle sale sperimentali. Quando un fascio di elettroni è polarizzato, ciò significa che la maggior parte degli elettroni ruotano tutti nella stessa direzione.

Questi esperimenti hanno sparato al fascio di elettroni polarizzati di Jefferson Lab su bersagli polarizzati di protoni o neutroni. Durante i diversi anni di analisi dei dati successivi, i ricercatori si sono resi conto che potevano combinare le informazioni raccolte sul protone e sul neutrone per estrarre un forte accoppiamento di forza a distanze maggiori.

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Solo il fascio di elettroni polarizzati ad alte prestazioni di Jefferson Lab, in combinazione con gli sviluppi di bersagli polarizzati e sistemi di rilevamento, ci ha permesso di ottenere tali dati“, ha affermato Chen.

Hanno scoperto che all’aumentare della distanza tra i corpi colpiti, l’accoppiamento di forza forte cresce rapidamente prima di stabilizzarsi e diventare costante.

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Ci sono alcune teorie che hanno predetto che questo dovrebbe essere il caso, ma questa è la prima volta sperimentalmente che lo abbiamo effettivamente visto“, ha detto Chen. “Questo ci fornisce dettagli su come funziona effettivamente la forza forte, alla scala dei quark che formano protoni e neutroni“.

Il livellamento supporta le teorie

Questi esperimenti sono stati condotti circa 10 anni fa, quando il fascio di elettroni di Jefferson Lab era in grado di fornire elettroni fino a 6 GeV di energia (ora è in grado di raggiungere fino a 12 GeV). Il fascio di elettroni a energia inferiore era necessario per esaminare la forza forte a queste distanze maggiori: una sonda a energia inferiore consente l’accesso a scale temporali più lunghe e, quindi, distanze maggiori tra le particelle interessate.

Allo stesso modo, una sonda a più alta energia è essenziale per lo zoom in vista di scale temporali più brevi e distanze minori tra le particelle. Laboratori con fasci di energia più elevata, come il CERN, il Fermi National Accelerator Laboratory e lo SLAC National Accelerator Laboratory, hanno già esaminato l’accoppiamento di forze forti a queste scale spazio-temporali più piccole, quando questo valore è relativamente piccolo.

La vista ingrandita offerta dai fasci di energia più elevata ha mostrato che la massa di un quark è piccola, solo pochi MeV. Almeno, questa è la loro massa da manuale. Ma quando i quark vengono sondati con energia inferiore, la loro massa cresce effettivamente fino a 300 MeV.

Questo perché i quark raccolgono una nuvola di gluoni, la particella che trasporta la forza forte, mentre si muovono su distanze maggiori. L’effetto di generazione di massa di questa nuvola rappresenta la maggior parte della massa nell’universo: senza questa massa aggiuntiva, la massa dei quark da manuale può rappresentare solo circa l’1% della massa di protoni e neutroni. L’altro 99% proviene da questa massa acquisita.

Allo stesso modo, una teoria postula che i gluoni siano privi di massa a brevi distanze ma acquisiscano effettivamente massa mentre viaggiano più lontano. Il livellamento dell’accoppiamento di forza forte a grandi distanze supporta questa teoria.

Se i gluoni rimanessero privi di massa a lungo raggio, l’accoppiamento di forza forte continuerebbe a crescere incontrollato“, ha detto Deur. “Le nostre misurazioni mostrano che l’accoppiamento di una forza forte diventa costante all’aumentare della distanza sondata, il che è un segno che i gluoni hanno acquisito massa attraverso lo stesso meccanismo che fornisce il 99% della massa al protone e al neutrone“.

Ciò significa che un forte accoppiamento di forze a grandi distanze è importante per comprendere questo meccanismo di generazione di massa. Questi risultati aiutano anche a verificare nuovi modi per risolvere le equazioni per la cromodinamica quantistica (QCD), la teoria accettata che descrive la forza forte.

Ad esempio, l’appiattimento dell’accoppiamento di forza forte a grandi distanze fornisce la prova che i fisici possono applicare una nuova tecnica all’avanguardia chiamata dualità Anti-de Sitter/Teoria del campo conforme (AdS/CFT). La tecnica AdS/CFT consente ai fisici di risolvere le equazioni in modo non iterativo, il che può aiutare con calcoli di forza forte a grandi distanze dove i metodi iterativi falliscono.

Il conforme in “Teoria del campo conforme” significa che la tecnica si basa su una teoria che si comporta allo stesso modo su tutte le scale spaziotemporali. Poiché l’accoppiamento della forza forte si livella a distanze maggiori, non dipende più dalla scala spazio-temporale, il che significa che la forza forte è conforme e può essere applicato AdS/CFT. Sebbene i teorici abbiano già applicato AdS/CFT a QCD, questi dati supportano l’uso della tecnica.

AdS/CFT ci ha permesso di risolvere problemi di QCD o gravità quantistica che erano finora intrattabili o affrontati in modo molto approssimativo utilizzando modelli non molto rigorosi“, ha affermato Deur. “Questo ha prodotto molte interessanti intuizioni sulla fisica fondamentale“.

Quindi, sebbene questi risultati siano stati generati dagli sperimentatori, influiscono maggiormente sui teorici.

Credo che questi risultati siano una vera svolta per il progresso della cromodinamica quantistica e della fisica degli adroni“, ha affermato Stanley Brodsky, professore emerito presso lo SLAC National Accelerator Laboratory e teorico della QCD. “Mi congratulo con la comunità dei fisici del Jefferson Lab, in particolare con il dottor Alexandre Deur, per questo importante progresso della fisica”.

Sono passati anni da quando furono condotti gli esperimenti che portarono accidentalmente questi risultati. Un’intera nuova suite di esperimenti ora utilizza il raggio a 12 GeV di maggiore energia di Jefferson Lab per esplorare la fisica nucleare.

Una cosa di cui sono molto felice di tutti questi esperimenti più vecchi è che abbiamo formato molti giovani studenti e ora sono diventati leader di esperimenti futuri“, ha detto Chen.

Solo il tempo dirà quali teorie supportano questi nuovi esperimenti.

Ulteriori informazioni: Alexandre Deur et al, Experimental Determination of the QCD Effective Charge αg1(Q), Particles (2022). DOI: 10.3390/particles5020015

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