Calcolare lo spin di un protone era un compito facile all'università. Infatti, Carl Gagliardi ricorda di aver risposto a quella domanda quando era uno studente laureato in fisica negli anni '70. Ma la vera risposta si è rivelata tutt'altro che semplice. Anche la risposta "giusta" di Gagliardi fu smentita da esperimenti che pochi anni dopo capovolsero il campo.

I protoni sono una delle tre particelle che compongono gli atomi, gli elementi costitutivi dell'universo. Lo spin di un protone è una delle sue proprietà più basilari. Poiché i protoni sono in parte costituiti da quark, gli scienziati presumevano che gli spin dei protoni fossero solo la somma degli spin dei quark.

Ma gli studi degli anni '80 hanno mostrato che la realtà è molto più complessa. Da allora, Gagliardi e altri ricercatori hanno utilizzato l'esclusivo DOE Office of Science User Facilities presso la Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) e il Brookhaven National Laboratory per esplorare questo fenomeno fondamentale.

Indagare su una forza della natura

I protoni hanno sempre "spin". La direzione e la forza dello spin di un protone determina le sue proprietà magnetiche ed elettriche. Le modifiche allo spin del protone alterano anche la sua struttura.

"Capendo come [i componenti di un protone] giocano l'uno con l'altro per produrre spin, possiamo imparare come Madre Natura costruisce un protone, " disse Gagliardi, ora ricercatore presso il Cyclotron Institute del Texas A&M. Collabora al lavoro al Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), un DOE Office of Science User Facility presso il Brookhaven National Laboratory a Long Island, New York.

Avere una migliore comprensione dello spin e della struttura dei protoni potrebbe portare a benefici inaspettati. Proprio come le scoperte di James Clerk Maxwell sull'elettromagnetismo nel 1860 gettarono le basi per l'elettronica di oggi, alcuni scienziati pensano che la comprensione dello spin del protone potrebbe portare a progressi simili.

"[Le equazioni di Maxwell] erano la padronanza dell'umanità su una forza fondamentale della natura, elettromagnetismo, " ha detto John Lajoie, un ricercatore dello stato dell'Iowa che lavora su RHIC. "Quello che stiamo cercando di fare è acquisire una comprensione fondamentale della forza che lega i quark al protone".

Risultati inaspettati

"Studiare spin in fisica ha portato a molte sorprese, " disse Elke-Caroline Aschenauer, che guida il gruppo di ricerca di Brookhaven focalizzato sullo spin del protone. Ma la natura non ha rinunciato facilmente ai suoi segreti.

I ricercatori hanno inizialmente pensato che ogni protone consistesse interamente di soli tre quark, che insieme determinarono lo spin. I quark sono particelle elementari che gli scienziati non sono stati in grado di scomporre in parti più piccole.

Ma più guardavano da vicino, più il quadro diventava complesso. L'esperimento iniziale presso l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) ha suggerito che gli spin dei quark non contribuivano quasi per nulla allo spin dei protoni. Da allora, esperimenti più precisi hanno aumentato il contributo di spin del quark dal 25 al 30 percento. Questo lascia un buon affare inspiegabile.

Piuttosto che essere deluso, molti fisici erano entusiasti.

"Vivo per aver sbagliato, " disse Lajoie. "Ecco dove impariamo."

Sbattere le particelle insieme

Per studiare i protoni e altre particelle subatomiche, gli scienziati usano gli acceleratori per farli scontrare a velocità vicine a quella della luce.

"I fisici delle particelle non si sono realmente evoluti molto oltre i tempi degli uomini delle caverne in termini di sbattere insieme due rocce, ", ha scherzato Lajoie.

Gli acceleratori di Brookhaven e Jefferson Labs hanno la capacità unica di polarizzare flussi di particelle. Ciò significa che coordinano gli spin delle particelle in modo che siano allineate nella stessa direzione.

Presso l'impianto di accelerazione del fascio di elettroni continui (CEBAF), un DOE Office of Science User Facility presso Jefferson Lab a Newport News, Virginia, la macchina spara un raggio polarizzato di elettroni in un bersaglio fisso. Anche il bersaglio è polarizzato. La collisione del fascio di elettroni con i protoni oi neutroni nel bersaglio offre agli scienziati una visione particolarmente buona dei contributi dei quark allo spin. Quando il raggio colpisce il bersaglio, le particelle si disperdono ad angoli diversi. Uno spettrometro elettronico identifica quindi quali tipi e quante particelle sono risultate dall'esperimento.

RHIC a Brookhaven invia due fasci di protoni attraverso un tunnel lungo quattro miglia. Quando si scontrano, le particelle si lacerano a vicenda e si raggruppano immediatamente. Colpiscono due rilevatori delle dimensioni di una casa che raccolgono dati sulla loro direzione, quantità di moto, ed energia.

"È solo una straordinaria realizzazione dell'umanità, " disse Ernst Sichtermann, un ricercatore presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del DOE e vice portavoce di uno degli esperimenti del RHIC.

Essendo l'unica struttura in grado di polarizzare e far collidere i protoni, RHIC è utile per comprendere il contributo dei gluoni. I gluoni sono le particelle che tengono insieme i quark per formare protoni e neutroni.

Il confronto e il contrasto dei risultati è una parte essenziale della ricerca sullo spin protonico. Entrambi i laboratori conducono esperimenti che esaminano cosa succede quando si scontrano particelle che ruotano nella stessa direzione rispetto a quelle che ruotano in direzioni opposte. Per determinare come una particella specifica, come un gluone o un quark, contribuisce alla rotazione, i ricercatori confrontano il numero e il tipo di particelle che risultano da diverse configurazioni dei fasci e del bersaglio.

Una delle sfide principali è la raccolta e l'analisi dell'incredibile quantità di dati. Gran parte del lavoro si concentra sulla raccolta dei dati corretti e sulla riduzione al minimo di errori o distorsioni.

"Ecco dove si diventa un vero fisico, " ha detto Gagliardi. "Il novantacinque per cento del tempo dell'analisi scientifica è dedicato all'identificazione, quantificare e limitare tali distorsioni".

Capire i contributi

Utilizzando questi strumenti, i fisici si sono resi conto che la struttura del protone non è affatto semplice. È un oceano di quark e gluoni in movimento. Inoltre, i gluoni si dividono rapidamente in coppie di quark di breve durata e anti-quark (noti come quark di mare). Gli anti-quark hanno caratteristiche simili ai quark, tranne la carica contraria.

Numerosi esperimenti hanno esaminato possibili fonti di spin.

Un esperimento al RHIC ha scoperto che gli spin degli anti-quark spesso non sono allineati nella stessa direzione. Di conseguenza, è improbabile che contribuiscano molto allo spin del protone.

Un altro studio ha affrontato il ruolo dei gluoni. Nel 2014, gli scienziati hanno scoperto dati sperimentali che hanno dimostrato che i gluoni contribuiscono in modo significativo allo spin del protone. Infatti, ne contribuiscono per circa il 20-30 per cento.

Un esperimento successivo si è concentrato su gluoni "sottili" con basso momento. Studi precedenti avevano sottovalutato il contributo di questi gluoni. Ma le collisioni a energie molto più elevate hanno scoperto che mentre i singoli gluoni "sottili" non contribuiscono quasi per nulla, il loro numero si traduce in una certa influenza.

C'è una fonte importante che i ricercatori non hanno ancora esplorato:il momento angolare orbitale. Il momento angolare orbitale deriva dal movimento dei quark e dei gluoni l'uno rispetto all'altro. Mentre i teorici hanno sviluppato simulazioni che modellano questo contributo, gli scienziati non hanno avuto l'attrezzatura per testarli.

Ciò cambierà con l'apertura di un importante aggiornamento al CEBAF. Raddoppiare l'energia dell'acceleratore e fornire una migliore risoluzione consentirà agli scienziati di studiare il momento angolare orbitale. I membri dello staff del laboratorio si aspettano di avere l'acceleratore aggiornato completamente funzionante nel prossimo anno.

"Non c'è nessun altro raggio come questo in altre parti del mondo, " ha detto Robert McKeown, Il vicedirettore della ricerca del Jefferson Lab.