gluoni, le particelle simili a colla che normalmente legano i quark subatomici all'interno dei protoni e dei neutroni che compongono i nuclei atomici, sembrano svolgere un ruolo importante nello stabilire le proprietà chiave della materia. Ma in questo momento, nessuno può vedere come sono distribuiti i gluoni all'interno dei singoli protoni e nuclei. Recenti esperimenti al Brookhaven National Lab e al Centro europeo per la ricerca nucleare (CERN) suggeriscono che la disposizione di queste particelle all'interno di un protone varia fortemente. Ciò significa che mentre, in media, un protone è vicino a sferico, se dovessimo scattare istantanee di un protone in tempo, ognuno di loro sembrerebbe drammaticamente diverso. I teorici nucleari di Brookhaven hanno sviluppato un modello delle fluttuazioni dei gluoni che è coerente con le misurazioni precedenti. Il modello consente loro di interpretare i nuovi dati degli esperimenti di collisione nucleare come istantanee di come appare realmente un protone in un dato momento.

I fisici nucleari vogliono studiare le proprietà della materia nucleare nel nucleo e come viene modificata dalle collisioni ad alta energia. Per fare questo misurano i modelli di particelle che volano fuori dalle collisioni di protoni con nuclei pesanti in acceleratori di particelle. Questi collisori includono il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) presso il Brookhaven National Laboratory e il Large Hadron Collider (LHC) presso il laboratorio europeo del CERN. Per capire di più sulla materia nucleare hanno bisogno di sapere che aspetto aveva il protone quando è avvenuta la collisione. Negli esperimenti in queste strutture, dove le particelle sono accelerate ad alte energie, i gluoni sono particelle virtuali che si scindono e si ricombinano continuamente, essenzialmente sfarfallio dentro e fuori dall'esistenza come la luce delle lucciole che si accendono e si spengono nel cielo notturno. Poiché gli scienziati non possono vedere direttamente questo sfarfallio, hanno bisogno di un modello che descriva accuratamente il comportamento fluttuante. Comprendere lo sfarfallio consente ai fisici di interpretare i risultati di questi esperimenti per comprendere meglio la struttura interna dei protoni e spiegare meglio il nostro mondo.

I risultati sperimentali di RHIC e LHC suggeriscono che i protoni sono molto più complessi di una semplice disposizione di tre quark tenuti insieme da gluoni. Capire come interagiscono i protoni quando si scontrano con nuclei più grandi richiede di conoscere la geometria del protone appena prima della collisione, se è rotondo o più irregolare, Per esempio. Esplorare la struttura interna del protone è anche uno sforzo di ricerca fondamentale per i fisici nucleari.

Mentre gli scienziati sanno quanto è grande la densità media dei gluoni all'interno di un protone, non sanno esattamente dove si trovano i gluoni all'interno della particella più grande o quanto grandi potrebbero essere le fluttuazioni nella forma e nella distribuzione dei gluoni. Senza la capacità di vedere all'interno del protone, gli scienziati hanno sviluppato un modello matematico per rappresentare una varietà di disposizioni di gluoni. Gli scienziati hanno quindi testato il modello confrontando le sue previsioni con i dati sperimentali di un acceleratore in Germania. Hanno scoperto che includere un alto grado di fluttuazioni dei gluoni nel loro modello si adatta meglio ai dati. Gli scienziati stanno ora cercando di applicare questa conoscenza alle collisioni protone-nucleo al RHIC e all'LHC. Se questo modello può descrivere con successo questi esperimenti, gli scienziati saranno in grado di utilizzare alcuni osservabili chiave degli esperimenti come misure della forma del protone al momento della collisione.