All'interno di ogni protone in ogni atomo dell'universo c'è un ambiente di pentola a pressione che supera il cuore schiaccia-atomo di una stella di neutroni. Questo è secondo la prima misurazione di una proprietà meccanica delle particelle subatomiche, la distribuzione della pressione all'interno del protone, che è stato effettuato da scienziati presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell'Energia.

I fisici nucleari hanno scoperto che gli elementi costitutivi del protone, i quark, sono sottoposti ad una pressione di 100 decilioni di Pascal (10 ³⁵ ) vicino al centro di un protone, che è circa 10 volte maggiore della pressione nel cuore di una stella di neutroni. Il risultato è stato recentemente pubblicato sulla rivista Natura .

"Abbiamo trovato una pressione diretta verso l'esterno estremamente alta dal centro del protone, e una pressione diretta verso l'interno molto più bassa e più estesa vicino alla periferia del protone, " spiega Volker Burkert, Jefferson Lab Hall B Leader e coautore del documento.

Burkert dice che la distribuzione della pressione all'interno del protone è dettata dalla forza forte, la forza che lega insieme tre quark per formare un protone.

"I nostri risultati fanno luce anche sulla distribuzione della forza forte all'interno del protone, " ha detto. "Stiamo fornendo un modo per visualizzare la grandezza e la distribuzione della forza forte all'interno del protone. Questo apre una direzione completamente nuova nella fisica nucleare e delle particelle che può essere esplorata in futuro".

Una volta ritenuto impossibile da ottenere, questa misurazione è il risultato di un intelligente abbinamento di due quadri teorici con i dati esistenti.

Primo, ci sono le distribuzioni partoni generalizzate. I GPD consentono ai ricercatori di produrre un'immagine 3D della struttura del protone rilevata dalla forza elettromagnetica. I secondi sono i fattori di forma gravitazionale del protone. Questi fattori di forma descrivono quale sarebbe la struttura meccanica del protone se i ricercatori potessero sondare il protone tramite la forza gravitazionale.

Il teorico che sviluppò il concetto di fattori di forma gravitazionali nel 1966, Heinz Pagel, notoriamente osservato nel documento che li descriveva in dettaglio che c'era "pochissima speranza di imparare qualcosa sulla struttura meccanica dettagliata di una particella, a causa dell'estrema debolezza dell'interazione gravitazionale."

Recenti lavori teorici, però, ha collegato i GPD ai fattori di forma gravitazionali, consentendo ai risultati delle sonde elettromagnetiche di protoni di sostituire le sonde gravitazionali.

"Questo è il bello. Hai questa mappa che pensi di non avere mai, " disse Latifa Elouadrhiri, uno scienziato dello staff del Jefferson Lab e coautore del documento. "Ma eccoci qui, riempiendolo con questa sonda elettromagnetica."

La sonda elettromagnetica è costituita da fasci di elettroni prodotti dal Continuous Electron Beam Accelerator Facility, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. Questi elettroni sono diretti nei nuclei degli atomi, dove interagiscono elettromagneticamente con i quark all'interno dei protoni tramite un processo chiamato scattering Compton profondamente virtuale.

Nel processo DVCS, un elettrone entra in un protone e scambia un fotone virtuale con un quark, trasferire energia al quark e al protone. Poco tempo dopo, il protone rilascia questa energia emettendo un altro fotone e continua intatto. Questo processo è analogo ai calcoli eseguiti da Pagels su come sarebbe possibile sondare il protone gravitazionalmente tramite un ipotetico raggio di gravitoni. I ricercatori del Jefferson Lab sono stati in grado di sfruttare una somiglianza tra i ben noti studi elettromagnetici e ipotetici gravitazionali per ottenere il loro risultato.

"C'è un fotone in entrata e un fotone in uscita. E la coppia di fotoni ha entrambi spin-1. Questo ci fornisce le stesse informazioni dello scambio di una particella gravitone con spin-2, "dice Francois-Xavier Girod, uno scienziato dello staff del Jefferson Lab e coautore del documento. "Così ora, si può fondamentalmente fare la stessa cosa che abbiamo fatto nei processi elettromagnetici, ma rispetto ai fattori di forma gravitazionali, che rappresentano la struttura meccanica del protone."

I ricercatori affermano che il prossimo passo è applicare la tecnica a dati ancora più precisi che saranno presto disponibili per ridurre le incertezze nell'analisi attuale e iniziare a lavorare per rivelare altre proprietà meccaniche dell'onnipresente protone, come le forze di taglio interne e il raggio meccanico del protone.