Un'impressione artistica di come viene prodotto il protone. I quark e i gluoni ruotano contribuendo a dare esattamente ½ per lo spin del protone. La domanda su come è fatto e quanto ciascuno contribuisce è stata un enigma dal 1987. Credito:Courtesy Brookhaven National Laboratory
Scienziati in un gruppo di ricerca guidato da Constantia Alexandrou, professore di fisica presso l'Università di Cipro e l'Istituto di Cipro, hanno compiuto un passo cruciale verso la risoluzione di un enigma vecchio di tre decenni:hanno decifrato con successo il momento angolare totale (spin) del nucleone, determinare come è condiviso tra i suoi costituenti. Il supercomputer CSCS Piz Daint ha fornito le risorse di calcolo necessarie.
I nucleoni, protoni e neutroni, sono i principali costituenti dei nuclei atomici. Queste particelle a loro volta sono costituite da particelle elementari ancora più piccole chiamate quark e gluoni. Ogni nucleone ha il suo momento angolare intrinseco, o girare. Conoscere lo spin delle particelle elementari è importante per comprendere i processi fisici e chimici. Lo spin è responsabile delle proprietà fondamentali di un materiale, Per esempio, cambiamenti di fase in materiali non conduttori che li trasformano improvvisamente in superconduttori a temperature molto basse.
I modelli teorici originariamente presumevano che lo spin del nucleone provenisse solo dai suoi quark costituenti. Ma nel 1987, esperimenti di fisica ad alta energia condotti dalla European Muon Collaboration hanno accelerato quella che è diventata nota come la "crisi dello spin del protone". Esperimenti eseguiti al CERN, DESY e SLAC hanno mostrato che i quark contribuiscono solo al 30% dello spin del protone. Da allora, non è stato chiaro quali altri effetti contribuiscono allo spin, e fino a che punto. Gli studi di fisica delle alte energie hanno suggerito che le coppie quark-antiquark con i loro stati intermedi di breve durata potrebbero essere in gioco qui, in altre parole, effetti quantistici puramente relativistici.
Trent'anni dopo, questi misteriosi effetti sono stati finalmente presi in considerazione nei calcoli eseguiti sul supercomputer CSCS Piz Daint da un gruppo di ricerca guidato da Constantia Alexandrou dell'Università di Cipro a Nicosia; quel gruppo comprendeva anche ricercatori di DESY-Zeuthen, Germania, e dalle università di Temple e Utah, STATI UNITI D'AMERICA. Per la prima volta, i ricercatori sono stati in grado di calcolare i contributi quantitativi dei quark costituenti, gluoni e quark di mare—i quark di mare sono uno stato intermedio di breve durata di coppie quark-antiquark all'interno del nucleone—a spin del nucleone. Con i loro calcoli, il gruppo ha compiuto un passo cruciale verso la risoluzione del puzzle che ha portato alla crisi dello spin protonico.
Composizione dello spin del protone tra i quark costituenti (colonne blu e viola con le linee), quark di mare (blu, colonne solide viola e rosse) e gluoni (colonna verde). Gli errori sono indicati dalle barre. Credito:Constantia Alexandrou et al.
Per calcolare lo spin delle particelle, i ricercatori devono spiegare la vera massa fisica dei quark. "Un compito numericamente impegnativo, ma di fondamentale importanza per assicurarsi che i valori dei parametri nelle simulazioni corrispondano alla realtà, "dice Karl Jansen, scienziato capo presso DESY-Zeuthen e coautore del progetto. La forte forza che agisce qui, che viene trasmesso dai gluoni, è una delle quattro forze fondamentali della fisica. La forza forte è, infatti, abbastanza forte da impedire la rimozione di un quark da un protone; questa proprietà, noto come reclusione, si traduce in un'enorme energia di legame che alla fine tiene insieme i costituenti del nucleone. I ricercatori hanno usato la massa del pione, un cosiddetto mesone, costituito da un antiquark up e uno down - i "quark light" - per fissare la massa dei quark up e down alla massa fisica del quark che entra nelle simulazioni.
Se la massa del pione calcolata dalla simulazione corrisponde al valore determinato sperimentalmente, quindi i ricercatori considerano che la simulazione viene eseguita con i valori fisici effettivi per la massa del quark. Ed è esattamente ciò che Alexandrou e i suoi ricercatori hanno ottenuto nel loro progetto, che è stato pubblicato oggi sulla rivista Lettere di revisione fisica .
Le loro simulazioni hanno tenuto conto anche dei quark di valenza (quark costituenti), quark di mare e gluoni. I ricercatori hanno utilizzato la teoria reticolare della cromodinamica quantistica (reticolo QCD) per calcolare questo "mare" di particelle e le loro interazioni QCD.
La sfida più grande con le simulazioni è stata quella di ridurre gli errori statistici nel calcolo dei "contributi di spin" di quark e gluoni di mare, dice Alessandro. "Inoltre, una parte significativa è stata quella di effettuare la rinormalizzazione di queste quantità." In altre parole, hanno dovuto convertire i valori adimensionali determinati dalle simulazioni in un valore fisico che può essere misurato sperimentalmente, come lo spin trasportato dai costituenti e dai quark marini e dai gluoni che i ricercatori stavano cercando. Sono i primi a includere i gluoni in tali calcoli, che ha richiesto il calcolo di milioni di "propagatori" che descrivono come i quark si muovono tra due punti nello spazio-tempo.
"Rendere potenti supercomputer come il Piz Daint aperti e disponibili in tutta Europa è estremamente importante per la scienza europea, " fa notare Jansen. "Simulazioni così elaborate sono state possibili solo grazie alla potenza del Piz Daint, e poiché abbiamo pre-ottimizzato i nostri algoritmi per sfruttare al meglio i processori grafici della macchina, "aggiunse Alessandro.
