All'interno del Proton, la "cosa più complicata che potresti immaginare"

Più di un secolo dopo che Ernest Rutherford scoprì la particella carica positivamente nel cuore di ogni atomo, i fisici stanno ancora lottando per comprendere appieno il protone.

Gli insegnanti di fisica delle scuole superiori li descrivono come palline informi con un'unità ciascuna di carica elettrica positiva: i fogli perfetti per gli elettroni caricati negativamente che ronzano intorno a loro. Gli studenti universitari scoprono che la palla è in realtà un fascio di tre particelle elementari chiamate quark. Ma decenni di ricerca hanno rivelato una verità più profonda, troppo bizzarra per essere catturata completamente con parole o immagini.

"Questa è la cosa più complicata che si possa immaginare", ha detto Mike Williams, un fisico del Massachusetts Institute of Technology. "In effetti, non puoi nemmeno immaginare quanto sia complicato."

Il protone è un oggetto quantomeccanico che esiste come una nebbia di probabilità finché un esperimento non lo costringe ad assumere una forma concreta. E le sue forme differiscono drasticamente a seconda di come i ricercatori hanno impostato il loro esperimento. Collegare le molteplici facce della particella è stato il lavoro di generazioni. "Stiamo appena iniziando a comprendere questo sistema in modo completo", ha detto Riccardo Milner, un fisico nucleare del MIT.

Mentre la ricerca continua, i segreti del protone continuano a venire alla luce. Più recentemente, a analisi dei dati monumentale pubblicato in agosto ha scoperto che il protone contiene tracce di particelle chiamate quark charm che sono più pesanti del protone stesso.

Il protone “è stato umiliante per gli esseri umani”, ha detto Williams. "Ogni volta che pensi di avere il controllo sulla situazione, ti lancia qualche palla curva."

Recentemente, Milner, insieme a Rolf Ent del Jefferson Lab, ai registi del MIT Chris Boebel e Joe McMaster e all'animatore James LaPlante, hanno deciso di trasformare una serie di trame arcane che raccolgono i risultati di centinaia di esperimenti in una serie di animazioni della forma -spostamento del protone. Abbiamo incorporato le loro animazioni nel nostro tentativo di svelarne i segreti.

Spaccare il protone

La prova che il protone contiene moltitudini venne dallo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) nel 1967. In esperimenti precedenti, i ricercatori lo avevano colpito con elettroni e li avevano visti rimbalzare come palle da biliardo. Ma SLAC poteva scagliare gli elettroni con maggiore forza, e i ricercatori hanno visto che rimbalzavano in modo diverso. Gli elettroni colpivano il protone abbastanza forte da frantumarlo – un processo chiamato scattering anelastico profondo – e rimbalzavano da frammenti puntiformi del protone chiamati quark. "Questa è stata la prima prova che i quark esistono realmente", ha detto Xiaochao Zheng, un fisico dell'Università della Virginia.

Dopo la scoperta di SLAC, che vinse il Premio Nobel per la fisica nel 1990, lo studio del protone si intensificò. Finora i fisici hanno effettuato centinaia di esperimenti di diffusione. Deducono vari aspetti dell'interno dell'oggetto regolando la forza con cui lo bombardano e scegliendo quali particelle sparse raccolgono in seguito.

Utilizzando elettroni ad alta energia, i fisici possono individuare le caratteristiche più fini del protone bersaglio. In questo modo, l'energia dell'elettrone stabilisce il massimo potere risolutivo di un esperimento di scattering anelastico profondo. Collisori di particelle più potenti offrono una visione più nitida del protone.

I collisori ad alta energia producono anche una gamma più ampia di risultati di collisione, consentendo ai ricercatori di scegliere diversi sottoinsiemi di elettroni in uscita da analizzare. Questa flessibilità si è rivelata fondamentale per comprendere i quark, che si muovono all’interno del protone con diverse quantità di moto.

Misurando l'energia e la traiettoria di ciascun elettrone disperso, i ricercatori possono dire se è stato lanciato via da un quark che trasporta una grossa fetta della quantità di moto totale del protone o solo una piccola parte. Attraverso ripetute collisioni, possono effettuare qualcosa di simile a un censimento, determinando se la quantità di moto del protone è per lo più legata a pochi quark o distribuita su molti.

Anche le collisioni di scissione dei protoni di SLAC erano delicate rispetto agli standard odierni. In questi eventi di dispersione, gli elettroni spesso venivano espulsi in modi che suggerivano che si fossero schiantati contro i quark che trasportavano un terzo della quantità di moto totale del protone. La scoperta corrispondeva alla teoria di Murray Gell-Mann e George Zweig, che nel 1964 postularono che un protone fosse formato da tre quark.

Il “modello a quark” di Gell-Mann e Zweig rimane un modo elegante di immaginare il protone. Ha due quark “up” con carica elettrica di +2/3 ciascuno e un quark “down” con carica di −1/3, per una carica totale del protone di +1.

Ma il modello a quark è una semplificazione eccessiva che presenta gravi limiti.

Fallisce, ad esempio, quando si tratta dello spin del protone, una proprietà quantistica analoga al momento angolare. Il protone ha mezza unità di spin, così come ciascuno dei suoi quark up e down. Inizialmente i fisici supponevano che – in un calcolo che riecheggia la semplice aritmetica della carica – le mezze unità dei due quark up meno quella del quark down dovessero essere uguali a mezza unità per il protone nel suo insieme. Ma nel 1988, la European Muon Collaboration segnalati che gli spin dei quark ammontano a molto meno della metà. Allo stesso modo, le masse di due quark up e di un quark down costituiscono solo circa l'1% della massa totale del protone. Questi deficit portarono a casa un punto che i fisici stavano già iniziando ad apprezzare: il protone è molto più di tre quark.

Molto più di tre quark

L’Hadron-Electron Ring Accelerator (HERA), che ha operato ad Amburgo, in Germania, dal 1992 al 2007, ha sbattuto gli elettroni contro i protoni circa mille volte più forte di quanto avesse fatto lo SLAC. Negli esperimenti HERA, i fisici hanno potuto selezionare gli elettroni che erano rimbalzati su quark a momento estremamente basso, compresi quelli che trasportavano solo lo 0.005% della quantità di moto totale del protone. E lo hanno fatto: gli elettroni di HERA sono rimbalzati da un vortice di quark a basso momento e le loro controparti di antimateria, gli antiquark.

I risultati confermarono una teoria sofisticata e bizzarra che aveva ormai sostituito il modello a quark di Gell-Mann e Zweig. Sviluppata negli anni ’1970, era una teoria quantistica della “forza forte” che agisce tra i quark. La teoria descrive i quark come legati insieme da particelle portatrici di forza chiamate gluoni. Ogni quark e ogni gluone ha uno dei tre tipi di carica “colore”, etichettati rosso, verde e blu; queste particelle cariche di colore si attraggono naturalmente l'una con l'altra e formano un gruppo - come un protone - i cui colori si sommano a un bianco neutro. La teoria colorata divenne nota come cromodinamica quantistica, o QCD.

Secondo la QCD, i gluoni possono captare picchi momentanei di energia. Con questa energia, un gluone si divide in un quark e un antiquark, ciascuno dei quali trasporta una piccola quantità di quantità di moto, prima che la coppia si annichili e scompaia. Picchi di energia più piccoli producono coppie di quark con quantità di moto inferiore, che vivono vite più brevi. È questo “mare” di gluoni, quark e antiquark che HERA, con la sua maggiore sensibilità alle particelle a basso momento, ha rilevato in prima persona.

HERA ha anche raccolto indizi su come apparirebbe il protone nei collisori più potenti. Mentre i fisici aggiustavano HERA per cercare quark a momento inferiore, questi quark – che provengono dai gluoni – si presentavano in numero sempre maggiore. I risultati suggerivano che anche nelle collisioni a energia più elevata, il protone apparirebbe come una nuvola composta quasi interamente da gluoni.

Il dente di leone gluonico è esattamente ciò che prevede la QCD. "I dati HERA sono una prova sperimentale diretta che la QCD descrive la natura", ha detto Milner.

Ma la vittoria della giovane teoria è arrivata con una pillola amara: mentre la QCD descrive magnificamente la danza di quark e gluoni di breve durata rivelata dalle collisioni estreme di HERA, la teoria è inutile per comprendere i tre quark di lunga durata osservati nel dolce bombardamento di SLAC.

Le previsioni della QCD sono facili da comprendere solo quando la forza forte è relativamente debole. E la forza forte si indebolisce solo quando i quark sono estremamente vicini tra loro, come nelle coppie quark-antiquark di breve durata. Frank Wilczek, David Gross e David Politzer identificarono questa caratteristica distintiva della QCD nel 1973, vincendo il Premio Nobel per questo 31 anni dopo.

Ma per le collisioni più dolci come quella SLAC, dove il protone agisce come tre quark che si mantengono reciprocamente a distanza, questi quark si attraggono a vicenda abbastanza forte da rendere impossibili i calcoli QCD. Pertanto, il compito di demistificare ulteriormente la visione del protone a tre quark è ricaduto in gran parte sugli sperimentali. (I ricercatori che conducono “esperimenti digitali”, in cui le previsioni QCD vengono simulate su supercomputer, hanno anche realizzato contributi chiave.) Ed è in questa immagine a bassa risoluzione che i fisici continuano a trovare sorprese.

Una nuova vista affascinante

Recentemente, una squadra guidata da Juan Rojo dell'Istituto nazionale di fisica subatomica nei Paesi Bassi e della VU University di Amsterdam hanno analizzato più di 5,000 istantanee di protoni scattate negli ultimi 50 anni, utilizzando l'apprendimento automatico per dedurre i movimenti di quark e gluoni all'interno del protone in un modo che elude le congetture teoriche.

 Il nuovo esame ha rilevato uno sfondo sfocato nelle immagini che erano sfuggite ai ricercatori del passato. Nelle collisioni relativamente leggere che provocano appena la rottura del protone, la maggior parte della quantità di moto è racchiusa nei soliti tre quark: due su e uno giù. Ma una piccola quantità di slancio sembrava provenire da un quark “charm” e da un antiquark charm – particelle elementari colossali che ciascuna supera l’intero protone di oltre un terzo.

Gli incantesimi di breve durata compaiono spesso nella visione del "mare di quark" del protone (i gluoni possono dividersi in uno qualsiasi dei sei diversi tipi di quark se hanno abbastanza energia). Ma i risultati di Rojo e colleghi suggeriscono che gli amuleti hanno una presenza più permanente, rendendoli rilevabili in collisioni più lievi. In queste collisioni, il protone appare come una miscela quantistica, o sovrapposizione, di più stati: un elettrone di solito incontra i tre quark leggeri. Ma occasionalmente incontrerà una “molecola” più rara di cinque quark, come un quark up, down e charm raggruppati da un lato e un quark up e un antiquark charm dall’altro.

Dettagli così sottili sulla composizione del protone potrebbero rivelarsi consequenziali. Al Large Hadron Collider, i fisici cercano nuove particelle elementari facendo scontrare insieme protoni ad alta velocità e vedendo cosa salta fuori; Per comprendere i risultati, i ricercatori devono innanzitutto sapere cosa c'è in un protone. L'apparizione occasionale di quark charm giganti lo farebbe buttare via le probabilità di creare particelle più esotiche.

E quando i protoni chiamati raggi cosmici si precipitano qui dallo spazio e si scontrano con i protoni nell’atmosfera terrestre, i quark charm che spuntano fuori al momento giusto inonderebbero la Terra di neutrini extraenergetici, hanno calcolato i ricercatori nel 2021. Questi potrebbero confondere gli osservatori ricerca per i neutrini ad alta energia provenienti da tutto il cosmo.

La collaborazione di Rojo prevede di continuare a esplorare il protone cercando uno squilibrio tra quark charm e antiquark. E i costituenti più pesanti, come il quark top, potrebbero apparire ancora più rari e difficili da rilevare.

Gli esperimenti di prossima generazione cercheranno caratteristiche ancora più sconosciute. I fisici del Brookhaven National Laboratory sperano di avviare l’Electron-Ion Collider negli anni ’2030 e riprendere da dove HERA si era interrotto, scattando istantanee ad alta risoluzione che consentiranno le prime ricostruzioni 3D del protone. L'EIC utilizzerà anche gli elettroni rotanti per creare mappe dettagliate degli spin dei quark e dei gluoni interni, proprio come SLAC e HERA hanno mappato i loro momenti. Ciò dovrebbe aiutare i ricercatori a definire finalmente l’origine dello spin del protone e ad affrontare altre domande fondamentali sulla sconcertante particella che costituisce la maggior parte del nostro mondo quotidiano.