Un mistero riguardante la struttura dei protoni è un passo più vicino alla soluzione, grazie a un esperimento di sette anni condotto da ricercatori del MIT.

Per molti anni i ricercatori hanno sondato la struttura dei protoni, particelle subatomiche con una carica positiva, bombardandoli con elettroni ed esaminando l'intensità degli elettroni dispersi ad angoli diversi.

In questo modo hanno cercato di determinare come sono distribuite la carica elettrica e la magnetizzazione del protone. Questi esperimenti avevano precedentemente portato i ricercatori a supporre che le distribuzioni di carica elettrica e magnetica fossero le stesse, e quell'unico fotone, una particella elementare di luce, viene scambiato quando i protoni interagiscono con gli elettroni del bombardamento.

Però, nei primi anni 2000, i ricercatori iniziarono a condurre esperimenti utilizzando fasci di elettroni polarizzati, che misurano lo scattering elastico elettrone-protone utilizzando lo spin dei protoni e degli elettroni. Questi esperimenti hanno rivelato che il rapporto tra le distribuzioni di carica elettrica e magnetica diminuiva drasticamente con le interazioni ad alta energia tra elettroni e protoni.

Ciò ha portato alla teoria che a volte non uno ma due fotoni venivano scambiati durante l'interazione, causando la distribuzione irregolare della carica. Cosa c'è di più, la teoria prevedeva che entrambe queste particelle sarebbero state cosiddette "dure, " o fotoni ad alta energia.

Nel tentativo di identificare questo "scambio di due fotoni, " un team internazionale guidato da ricercatori del Laboratory for Nuclear Science del MIT ha effettuato un esperimento di sette anni, noto come OLIMPO, al German Electron Synchrotron (DESY) di Amburgo.

In un articolo pubblicato questa settimana sulla rivista Lettere di revisione fisica , i ricercatori rivelano i risultati di questo esperimento, che indicano che due fotoni vengono effettivamente scambiati durante le interazioni elettrone-protone.

Però, a differenza delle previsioni teoriche, l'analisi delle misurazioni OLYMPUS suggerisce che, La maggior parte delle volte, solo uno dei fotoni ha alta energia, mentre l'altro deve portare davvero pochissima energia, secondo Richard Milner, professore di fisica e membro del Gruppo di Fisica Adronica del Laboratorio di Scienze Nucleari, che ha condotto l'esperimento.

"Abbiamo visto poche o nessuna prova di un duro scambio di due fotoni, "dice Milner.

Dopo aver proposto l'idea per l'esperimento alla fine degli anni 2000, il gruppo ha ottenuto un finanziamento nel 2010.

I ricercatori hanno dovuto smontare l'ex spettrometro BLAST, un complesso rivelatore di 125 metri cubi con sede al MIT, e trasportarlo in Germania, dove è stato rimontato con alcune migliorie. Hanno poi effettuato l'esperimento per tre mesi nel 2012, prima che l'acceleratore di particelle del laboratorio stesso fosse dismesso e spento alla fine di quell'anno.

L'esperimento, che è stato effettuato contemporaneamente ad altri due negli Stati Uniti e in Russia, coinvolto bombardando i protoni sia con elettroni caricati negativamente che con positroni caricati positivamente, e confrontando la differenza tra le due interazioni, secondo Douglas Hasell, uno dei principali ricercatori nel Laboratorio di Scienze Nucleari e nel Gruppo di Fisica Adronica del MIT, e un altro degli autori del documento.

Il processo produrrà una misurazione leggermente diversa a seconda che i protoni siano dispersi da elettroni o positroni, dice Hasell. "Se vedi una differenza (nelle misurazioni), indicherebbe che c'è un effetto a due fotoni che è significativo."

Le collisioni sono durate tre mesi, e i dati risultanti hanno impiegato altri tre anni per essere analizzati, dice Hasell.

La differenza tra i risultati teorici e sperimentali significa che potrebbero essere necessari ulteriori esperimenti in futuro, a energie ancora più elevate dove si prevede che l'effetto di scambio di due fotoni sia maggiore, dice Hasell.

Potrebbe rivelarsi difficile raggiungere lo stesso livello di precisione raggiunto nell'esperimento OLYMPUS, però.

"Abbiamo condotto l'esperimento per tre mesi e prodotto misurazioni molto precise, " dice. "Dovresti correre per anni per ottenere lo stesso livello di precisione, a meno che le prestazioni (dell'esperimento) non possano essere migliorate."

Nell'immediato futuro, i ricercatori hanno in programma di vedere come la comunità della fisica teorica risponde ai dati, prima di decidere il loro prossimo passo, dice Hasell.

"Può darsi che possano apportare un piccolo aggiustamento a un dettaglio all'interno dei loro modelli teorici per mettere tutto d'accordo, e spiegare i dati a energie sia superiori che inferiori, " lui dice.

"Poi spetterà agli sperimentalisti verificare se è così".