i campi che lo accompagnano. Credito immagine: Brookhaven National Laboratory.
Se tu dovessi dividere le particelle che compongono il tuo corpo in pezzi sempre più piccoli, scopriresti che ad ogni passo del percorso – almeno in termini di massa – il tutto è uguale alla somma delle sue parti. Se scomponi il tuo corpo nelle sue singole ossa, nel grasso e negli organi, questi si sommano in un intero essere umano. Se li scomponessi ulteriormente, in cellule, ancora una volta, le cellule raggiungerebbero la tua stessa massa. Le cellule possono essere divise in organelli, gli organelli scomposti in singole molecole, le molecole in atomi, e gli atomi in protoni, neutroni ed elettroni. A quel livello, c’è una minuscola ma notevole differenza: i singoli protoni, neutroni ed elettroni sono fuori di circa l’1% da un umano, grazie all’energia di legame nucleare.
circa lo 0,8% in meno dei singoli protoni e neutroni che lo compongono, grazie all’energia di legame nucleare. Credito d’immagine: Delia Walsh di http://slideplayer.com/slide/6002405/.
Un atomo di carbonio, formato da sei protoni e sei neutroni, è circa lo 0,8% più leggero delle singole particelle componenti che lo compongono. Il modo in cui il carbonio si forma è attraverso la fusione nucleare dell’idrogeno in elio e poi dell’elio in carbonio; l’energia rilasciata è ciò che alimenta la maggior parte dei tipi di stelle sia nella loro fase normale che in quella di gigante rossa, e la “massa persa” è da dove viene quell’energia, grazie alla E = mc2 di Einstein. Questo è il modo in cui funziona la maggior parte dei tipi di energia vincolante: la ragione per cui è più difficile staccare più cose che sono legate insieme è perché hanno rilasciato energia quando sono state unite, e bisogna mettere energia per liberarle di nuovo.
Questo è il motivo per cui è un fatto così sconcertante che quando si dà un’occhiata alle particelle che compongono il protone – i tre diversi quark al loro centro – le loro masse combinate sono solo lo 0,2% della massa del protone nel suo complesso.
(in MeV) in alto a destra. Un protone, composto da due quark up e un quark down, ha una massa di ~938 MeV/c^2. Image credit: Wikimedia Commons user MissMJ, PBS NOVA, Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, sotto licenza c.c.a.-3.0 unported.
Il modo in cui i quark si legano ai protoni è fondamentalmente diverso da tutte le altre forze e interazioni che conosciamo. Invece della forza che diventa più forte quando gli oggetti si avvicinano – come le forze gravitazionali, elettriche o magnetiche – la forza attrattiva scende a zero quando i quark si avvicinano arbitrariamente. E invece di indebolirsi quando gli oggetti si allontanano, la forza che richiama i quark insieme diventa più forte quanto più si allontanano.
Questa proprietà della forza nucleare forte è nota come libertà asintotica, e le particelle che mediano questa forza sono note come gluoni. In qualche modo, l’energia che lega il protone insieme, l’altro 99,8% della massa del protone, proviene da questi gluoni.
collegato da gluoni (a molla), la struttura del protone è molto più complicata, con ulteriori quark (mare) e gluoni che popolano l’interno del protone. Crediti d’immagine: il Sincrotrone Elettronico Tedesco (DES), e le collaborazioni HERA e ZEUS.
A causa di come funziona la forza nucleare forte, ci sono grandi incertezze su dove questi gluoni sono effettivamente situati in qualsiasi momento. Attualmente abbiamo un modello solido della densità media di gluoni all’interno di un protone, ma se vogliamo sapere dove i gluoni sono effettivamente più probabili, ciò richiede più dati sperimentali, così come modelli migliori con cui confrontare i dati. I recenti progressi dei teorici Björn Schenke e Heikki Mäntysaari potrebbero essere in grado di fornire quei modelli tanto necessari. Come Mäntysaari ha dettagliato:
Si sa molto accuratamente quanto è grande la densità media di gluoni all’interno di un protone. Quello che non si sa è esattamente dove si trovano i gluoni all’interno del protone. Noi modelliamo i gluoni come situati intorno ai tre quark. Poi controlliamo la quantità di fluttuazioni rappresentate nel modello impostando quanto sono grandi le nuvole di gluoni e quanto sono distanti l’una dall’altra.
gluoni e spin di quark mostrato. Credito d’immagine: Brookhaven National Laboratory.
Quando si fanno collidere due particelle come protoni, un protone e uno ione pesante, o due ioni pesanti insieme, non si può semplicemente modellarle come collisioni protone-protone. Invece, si vede una distribuzione di tre tipi di collisioni: collisioni quark-quark, collisioni quark-gluoni o collisioni gluoni-gluoni. Sono i componenti all’interno di queste particelle subatomiche che effettivamente si scontrano, piuttosto che le intere strutture (i protoni) stesse. Mentre alle energie più basse sono quasi sempre i quark a collidere, le energie più alte raggiunte dal RHIC, il Relativistic Heavy Ion Collider, a Brookhaven e dal LHC al CERN hanno una probabilità molto alta di interazioni gluoni-gluoni, con il potenziale di rivelare la posizione dei gluoni all’interno di un protone stesso. Come ha continuato Mäntysaari:
Questo processo non avviene affatto se il protone ha sempre lo stesso aspetto. Più fluttuazioni abbiamo, più è probabile che questo processo avvenga.
di un protone, incluso come sono distribuiti i quark e i gluoni “di mare”, è stato ottenuto sia attraverso miglioramenti sperimentali che attraverso nuovi sviluppi teorici in tandem. Credito d’immagine: Brookhaven National Laboratory.
La combinazione di questo nuovo modello teorico e dei dati sempre migliori dell’LHC permetterà agli scienziati di comprendere meglio la struttura interna e fondamentale di protoni, neutroni e nuclei in generale, e quindi di capire da dove viene la massa degli oggetti conosciuti nell’Universo. Il più grande vantaggio per questo tipo di ricerca, tuttavia, sarebbe lo sviluppo di un Electron-Ion Collider (EIC), un collisore proposto da molte collaborazioni in tutto il mondo. A differenza del RHIC o dell’LHC, che fanno collidere i protoni con gli ioni – ottenendo un segnale finale molto disordinato – un EIC sarebbe molto più controllato, poiché non ci sono movimenti interni e incontrollabili all’interno di un elettrone a confondere i risultati sperimentali.
collider (EIC). L’aggiunta di un anello di elettroni (rosso) al Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) di Brookhaven creerebbe l’eRHIC. Credito d’immagine: Brookhaven National Laboratory-CAD eRHIC group.
Se si vuole studiare la struttura interna di un protone o di un insieme di nuclei, lo scattering anelastico profondo è l’unica strada da percorrere. Considerando che i collisori hanno iniziato questo viaggio meno di un secolo fa, e che ora stiamo raggiungendo energie approssimativamente un fattore di 10.000 maggiore di quando abbiamo iniziato, sondare e capire esattamente come la materia ottiene la sua massa potrebbe essere finalmente alla nostra portata. Il plasma di quark-gluoni all’interno del nucleo, e le relative fluttuazioni, potrebbero essere finalmente pronti a rivelarci i loro segreti. E quando lo farà, uno dei misteri più antichi della fisica, da dove proviene la massa della materia conosciuta (ancora un mistero anche dopo la scoperta dell’Higgs), potrebbe finalmente cedere all’umanità.
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