La comprensione della struttura interna del protone, uno dei costituenti fondamentali della materia, rappresenta una sfida cruciale per la fisica delle particelle. Questa particella, che risiede nel nucleo atomico, è un sistema complesso dove quark e gluoni interagiscono attraverso la forza nucleare forte. L’elevata densità di energia e la presenza di un mare di particelle virtuali rendono l’indagine sperimentale e teorica del suo interno particolarmente ardua.
L’intricato mondo quantistico dentro il protone
Grazie a una nuova ricerca condotta da un team internazionale di fisici teorici, è stato compiuto un passo avanti fondamentale nella comprensione di questa intricata realtà. Utilizzando la teoria dell’informazione quantistica e il concetto di entanglement quantistico, i ricercatori hanno sviluppato un modello innovativo che descrive con precisione le interazioni tra i costituenti del protone, aprendo nuove prospettive sulla struttura e il comportamento di questa particella fondamentale.
Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, non è una particella elementare. È invece una particella composta, formata da tre quark di valenza (due “up” e uno “down”) tenuti insieme da gluoni, le particelle mediatrici della forza nucleare forte. Al suo interno, l’energia è così elevata che continuamente si creano e si annichiliscono coppie di quark e antiquark virtuali, così come coppie di gluoni virtuali. Questo “mare” di particelle virtuali rende l’interno del protone un ambiente estremamente complesso da studiare.
Il nuovo studio si è basato sull’ipotesi che i quark e i gluoni all’interno del protone, collettivamente chiamati partoni, siano quantisticamente entangled. L’entanglement è un fenomeno quantistico in cui due o più particelle sono legate in modo indissolubile, anche a distanza. In questo caso, l’entanglement tra i partoni del protone ha un ruolo cruciale nel determinare le loro interazioni e il comportamento complessivo della particella.
Utilizzando la teoria dell’informazione quantistica, i ricercatori sono riusciti a quantificare l’entanglement tra i partoni e a sviluppare un modello teorico che descrive con precisione le interazioni al suo interno. Questo modello, per la prima volta, è in grado di spiegare i dati ottenuti da numerosi esperimenti di diffusione di particelle, in cui elettroni vengono accelerati e fatti collidere con protoni. I risultati ottenuti convalidano l’ipotesi dell’entanglement quantistico e aprono nuove prospettive per lo studio della struttura interna dei protoni.
Questa scoperta rappresenta un importante passo avanti nella fisica delle particelle. La comprensione dell’intricato mondo quantistico all’interno del protone non solo ci fornisce informazioni fondamentali sulla natura della materia, ma potrebbe anche avere implicazioni in altri campi della fisica, come la cosmologia e la fisica nucleare. I ricercatori continueranno a lavorare per affinare ulteriormente il modello e per esplorare le implicazioni dell’entanglement quantistico nel contesto della fisica delle particelle.
Entanglement e produzione di adroni
Quando un elettrone ad alta energia collide con un protone, si scatena un processo affascinante che permette agli scienziati di scrutare nel cuore di questa particella subatomica. L’interazione tra le due particelle avviene attraverso lo scambio di un fotone virtuale, una particella mediatrice della forza elettromagnetica.
Nelle collisioni profondamente anelastiche, l’energia del fotone scambiato è così elevata che la sua lunghezza d’onda diventa sufficientemente piccola da “risolverne” la struttura interna. In altre parole, il fotone può interagire con i singoli costituenti, i quark e i gluoni, rivelandone la disposizione e le interazioni.
Un aspetto cruciale di queste interazioni è l’entanglement quantistico tra i quark e i gluoni all’interno del protone. L’entanglement è un fenomeno in cui due o più particelle quantistiche sono legate in modo indissolubile, anche a distanza. Nel caso del protone, l’entanglement tra i partoni (quark e gluoni) influenza il modo in cui essi si “separano” dopo l’interazione con il fotone, dando luogo alla produzione di nuove particelle, chiamate adroni.
Il numero di adroni prodotti in una collisione è legato all’entropia di entanglement dei partoni nei protoni. L’entropia di entanglement è una misura della quantità di entanglement presente in un sistema quantistico. Se conoscessimo l’informazione completa sull’entanglement, l’entropia di entanglement sarebbe zero. Tuttavia, il fotone che penetra nel protone “vede” solo una parte del suo interno, lasciando il resto nascosto. Ciò significa che l’entropia di entanglement è diversa da zero.
Un team internazionale di fisici ha recentemente dimostrato che è possibile prevedere l’entropia degli adroni prodotti in una collisione elettrone-protone a partire dall’entropia di entanglement dei partoni nel protone. Questo risultato è stato verificato sperimentalmente utilizzando i dati raccolti nell’esperimento H1 presso l’acceleratore di particelle HERA ad Amburgo. I risultati ottenuti confermano che l’entanglement quantistico gioca un ruolo fondamentale nella dinamica interna del protone e nella produzione di adroni nelle collisioni ad alta energia.
L’Electron-Ion Collider (EIC), il cui avvio è previsto per il prossimo decennio presso il Brookhaven Laboratory, rappresenta una grande promessa per la fisica nucleare. Questo acceleratore di nuova generazione permetterà di studiare le collisioni tra elettroni e nuclei atomici con una precisione mai raggiunta prima. Il team di fisici coinvolto nel progetto è convinto che il formalismo teorico sviluppato, grazie alla sua capacità di fornire un’interpretazione più chiara e dettagliata dei dati sperimentali, sarà cruciale per svelare i numerosi misteri che ancora avvolgono la struttura e il comportamento dei nuclei atomici.
Conclusioni
“Le nostre ricerche hanno indicato che l’entropia di entanglement, lungi dall’essere un concetto astratto, gioca un ruolo cruciale nel plasmare le proprietà dei nuclei atomici. Il nuovo formalismo teorico che abbiamo sviluppato, in grado di catturare l’essenza di questo fenomeno quantistico, si sta rivelando uno strumento prezioso per interpretare i dati sperimentali. Siamo fiduciosi che, grazie a questo approccio, saremo in grado di rispondere a domande fondamentali sulla natura delle interazioni nucleari, come il modo in cui quark e gluoni si aggregano per formare i protoni, o come le proprietà di un protone isolato differiscono da quelle di un protone all’interno di un nucleo complesso“, ha concluso il Professor Kutak.
Lo studio è stato pubblicato su Reports on Progress in Physics.
