Proprio come due vicini amichevoli che si incontrano per chiacchierare davanti a una tazza di caffè, anche le minuscole particelle nel nostro mondo subatomico si uniscono per impegnarsi in una sorta di conversazione. Ora, gli scienziati nucleari stanno sviluppando strumenti che consentano loro di ascoltare i pettegolezzi delle particelle e saperne di più su come si uniscono per costruire il nostro universo visibile.

Jozef Dudek è uno scienziato dello staff del Jefferson Lab del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e un assistente professore di fisica alla William &Mary. Lui ei suoi colleghi hanno recentemente effettuato i primi calcoli complessi di una particella chiamata sigma. Hanno pubblicato il risultato in Lettere di revisione fisica a gennaio.

"Spesso si pensa che il sigma faccia parte della forza che tiene insieme protoni e neutroni nel nucleo, " ha spiegato Dudek. "Si può pensare che ci sia una forza tra un protone e un neutrone, che è dovuto allo scambio di particelle tra di loro. Una delle particelle che un protone e un neutrone possono scambiare è il sigma".

Questo scambio di particelle sigma con protoni e neutroni consente loro di comunicare attraverso la forza forte. La forza forte è la forza della natura che lega protoni e neutroni nei nuclei. Infatti, la forza forte è anche responsabile della formazione di protoni e neutroni.

In decenni di ricerche nel cuore della materia per scoprire i suoi elementi costitutivi, i fisici nucleari finora hanno scoperto che i più piccoli frammenti di materia sono quark. Ci vogliono tre quark per costruire un protone (e tre per costruire un neutrone). Questi quark sono legati insieme dalla forza forte, ancora attraverso una conversazione tra quark che si manifesta come scambio di particelle. In questo caso, i quark si scambiano "colla" a forza forte, particelle chiamate gluoni.

Così, se le particelle sono in grado di dialogare tramite lo scambio di gluoni a forza forte direttamente, dove lascia il sigma? Si scopre che se un protone e un neutrone sono molto vicini tra loro, possono tenere la conversazione con un semplice scambio di gluoni. Ma in un nucleo spazioso, ci vogliono altre particelle, compreso il sigma, per conversare in modo efficiente.

"A distanze maggiori, ha senso pensare di scambiare mesoni tra nucleoni, dove i mesoni sono costruiti dai quark e dai gluoni stessi, ma una specie di impacchettato in pacchetti ristretti, "Dudek ha detto.

Questi "pacchetti confinati" possono essere il sigma, che è un mesone fatto di quark e gluoni, o un altro mesone chiamato pione, familiare ai fisici come una particella che si trova spesso sospesa intorno al nucleo.

Per mettere tutto insieme, protoni e neutroni possono litigare attraverso lo scambio di gluoni a brevi distanze, mesoni sigma a medie distanze e pioni a distanze maggiori.

Calcolare il cuore della materia

Se tutto questo suona piuttosto complicato, è perché lo è. Dudek e i suoi colleghi sono i primi a calcolare la particella sigma direttamente dalla teoria che descrive la forza forte, le particelle che interagiscono attraverso questa forza e la natura di tali interazioni. Questa teoria è chiamata cromodinamica quantistica o semplicemente QCD.

Infatti, questi calcoli erano così complicati, erano necessari supercomputer per compiere l'impresa.

Secondo Robert Edwards, uno scienziato senior del personale del Jefferson Lab's Center for Theoretical and Computational Physics, i calcoli QCD hanno richiesto lo sforzo dedicato di diversi supercomputer.

La prima parte dei calcoli è stata effettuata su Titano, un supercomputer con sede presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE presso l'Oak Ridge National Laboratory del DOE in Tennessee, e il supercomputer Blue Waters presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign.

Edwards ha detto che questi primi calcoli sono stati usati per sviluppare istantanee dell'ambiente delle particelle subatomiche, o il "vuoto" dello spazio descritto da QCD.

"Il vuoto non è un luogo vuoto, è ribollente di energia, " spiega Edwards. "E l'energia si manifesta come fluttuazioni elettriche e magnetiche, che può essere pensato come il collante della forza forte. Così, quello che fa QCD è guardare la forza di questi campi in ogni punto dello spazio."

Queste istantanee del vuoto fluttuante possono essere immaginate come la superficie di uno stagno su cui piove, con le gocce di pioggia che causano increspature sullo stagno. Ogni istantanea della superficie dello stagno corrisponde a un'istantanea del vuoto. Ha detto che 485 istantanee sono state generate dal supercomputer Titan.

Guardando gli scenari svolgersi

Per la seconda parte dei calcoli, i quark sono stati aggiunti allo snapshot. Mentre i quark si muovono nel vuoto, rispondono al loro ambiente. I loro possibili movimenti, chiamati "propagatori, " sono stati calcolati utilizzando i supercomputer Titan e Blue Waters. Per ogni istantanea del vuoto, 800, 000 tali propagatori sono stati calcolati.

Con i propagatori a posto, sono stati quindi proposti diversi scenari su come specifici quark interagiranno tra loro mentre si propagano nel tempo. Per ogni scenario, il supercomputer calcola la probabilità all'interno della teoria della QCD che i quark interagiscano in un certo modo.

"Dobbiamo valutare una quantità chiamata funzione di correlazione. La funzione di correlazione dice che hai qualche configurazione di quark, e stai guardando la propagazione mentre passano attraverso il tempo, " spiega Edwards. "Questa funzione di correlazione misura efficacemente la correlazione, o la sua forza, tra la sua configurazione iniziale di quark e la sua configurazione finale di quark".

Continuando la nostra analogia delle gocce di pioggia sullo stagno, ora immagina che una papera di gomma sia stata aggiunta allo stagno. I calcoli della funzione di correlazione determinano la probabilità che l'anatra di gomma galleggi da un punto all'altro dello stagno.

Ciascuna delle configurazioni 485 è stata simulata molte volte per determinare la probabilità di ogni scenario, ottenendo circa 15 milioni di risultati per il confronto. I calcoli sono stati effettuati sul cluster LQCD di Jefferson Lab nella primavera e nell'estate del 2016.

Sigma prende vita

Dopo che tutti i calcoli sono stati conteggiati, i ricercatori hanno scoperto che se sono presenti i quark giusti, il sigma può, infatti, essere generato dalla forza forte.

Dopo decenni di brevi scorci della fugace esistenza del sigma dai dati sperimentali che mostrano i suoi effetti su altre particelle subatomiche, Dudek ed Edwards affermano che questo calcolo offre ora agli scienziati un nuovo modo per studiare questa sfuggente particella.

"È davvero un primo passo verso la comprensione di cosa sia il sigma. Esiste davvero all'interno della teoria? Apparentemente, lo fa, "Dudek ha spiegato.

Le proprietà del sigma nei loro calcoli sembrano corrispondere a ciò che gli scienziati si aspettano dalle proprietà del sigma del mondo reale. Cosa c'è di più, ora che questi calcoli hanno dimostrato che è possibile applicare i supercomputer ai calcoli di una particella sfuggente come il sigma, questo potrebbe aprire la porta a calcoli di altre particelle di breve durata.

"Abbiamo dimostrato che possiamo dimostrare che esiste all'interno di QCD. Ora, le domande sono:che cos'è? Come si forma? Perché esiste questa cosa? C'è un modo per capirlo semplicemente?" disse Dudek. "Possiamo rispondere a queste domande, ora che abbiamo una tecnica rigorosa per studiare all'interno di QCD questo oggetto? E questo è qualcosa per il futuro".

E studiare l'elusivo sigma può consentire ai ricercatori di dare un primo sguardo a questo aspetto della forza forte che esiste solo nel profondo del cuore della materia. Può offrire loro la possibilità di origliare, se vorrai, sulla forza mentre svolge il suo compito di costruire il nostro universo.