Un'attenta rianalisi dei dati raccolti presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell'Energia ha rivelato un possibile legame tra protoni e neutroni correlati nel nucleo e un mistero vecchio di 35 anni. I dati hanno portato all'estrazione di una funzione universale che descrive l'Effetto EMC, la scoperta un tempo scioccante che i quark all'interno dei nuclei hanno momenti medi inferiori a quelli previsti, e supporta una spiegazione per l'effetto. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Natura .

L'effetto EMC è stato scoperto per la prima volta poco più di 35 anni fa dalla European Muon Collaboration nei dati raccolti al CERN. La collaborazione ha scoperto che quando hanno misurato i quark all'interno di un nucleo, apparivano diversi da quelli trovati nei protoni e nei neutroni liberi.

"Ci sono attualmente due modelli principali che descrivono questo effetto. Un modello è che tutti i protoni e i neutroni in un nucleo [e quindi i loro quark] sono modificati e sono tutti modificati allo stesso modo, "dice Douglas Higinbotham, uno scienziato del Jefferson Lab.

"L'altro modello, che è quello su cui ci concentriamo in questo articolo, è diverso. Dice che molti protoni e neutroni si comportano come se fossero liberi, mentre altri sono coinvolti in correlazioni a corto raggio e sono altamente modificati, " lui spiega.

Le correlazioni a corto raggio sono partnership fugaci formate tra protoni e neutroni all'interno del nucleo. Quando un protone e un neutrone si accoppiano in una correlazione, le loro strutture si sovrappongono brevemente. La sovrapposizione dura pochi istanti prima che le particelle si separino.

La funzione di modifica universale è stata sviluppata da un'attenta rianalisi dei dati di un esperimento condotto nel 2004 utilizzando il Continuous Electron Beam Accelerator Facility di Jefferson Lab, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. Il CEBAF ha prodotto un fascio di elettroni da 5,01 GeV per sondare nuclei di carbonio, alluminio, ferro e piombo rispetto al deuterio (un isotopo dell'idrogeno contenente un protone e un neutrone nel suo nucleo).

Quando gli autori hanno confrontato i dati di ciascuno di questi nuclei con il deuterio, hanno visto emergere lo stesso schema. I fisici nucleari derivarono da queste informazioni una funzione di modifica universale per le correlazioni a corto raggio nei nuclei. Hanno quindi applicato la funzione ai nuclei utilizzati nelle misurazioni dell'effetto EMC, e hanno scoperto che era lo stesso in tutti i nuclei misurati che consideravano.

"Ora abbiamo questa funzione, dove abbiamo coppie correlate a corto raggio neutrone-protone, e crediamo che possa descrivere l'Effetto EMC, "dice Barak Schmookler, un ex studente laureato del MIT e ora scienziato post-dottorato della Stony Brook University che ha guidato questo sforzo di ricerca ed è l'autore principale dell'articolo.

Dice che lui ei suoi colleghi pensano che quello che sta succedendo è che circa il 20 percento dei nucleoni nelle coppie correlate di un nucleo in qualsiasi momento ha un effetto fuori misura sulle misurazioni dell'effetto EMC.

"Pensiamo che quando protoni e neutroni all'interno del nucleo si sovrappongono in quelle che chiamiamo coppie correlate a corto raggio, i quark hanno più spazio di manovra, e quindi, si muovono più lentamente di quanto farebbero in un protone o neutrone libero, " lui spiega.

"L'immagine prima di questo modello è che tutti i protoni e i neutroni, quando sono attaccati insieme in un nucleo, tutti i loro quark iniziano a rallentare. E ciò che questo modello suggerisce è che la maggior parte dei protoni e dei neutroni va avanti come se nulla fosse cambiato, e sono i protoni e i neutroni selezionati che sono in queste coppie che hanno davvero un cambiamento significativo nei loro quark, " spiega Axel Schmidt, un borsista post-dottorato del MIT e coautore.

Higinbotham dice se questo quadro dettagliato di ciò che sta accadendo nel nucleo può essere confermato o meno, per adesso, la funzione di modificazione universale sembra legare insieme tutti gli elementi di questo mistero in modo autoconsistente.

"Così, abbiamo mostrato che le coppie sono coppie e si comportano allo stesso modo, se si trovano in un nucleo di piombo o di carbonio. Abbiamo anche mostrato che quando il numero di coppie è diverso perché si trovano in nuclei diversi, stanno ancora agendo collettivamente sostanzialmente allo stesso modo, " Higinbotham spiega. "Quindi quello che pensiamo di aver trovato è che con un'immagine fisica, possiamo spiegare sia l'effetto EMC che le correlazioni a corto raggio."

Se regge, quell'immagine fisica delle correlazioni a corto raggio come causa dell'effetto EMC compie anche un altro passo verso l'obiettivo a lungo termine dei fisici nucleari e delle particelle di collegare le nostre due diverse visioni del nucleo dell'atomo:poiché è costituito da protoni e neutroni , rispetto a come è costituito dai loro quark costituenti.

I fisici nucleari hanno già iniziato a lavorare al prossimo passo per confermare questa nuova ipotesi, che consiste nel misurare la struttura dei quark dei protoni impegnati in correlazioni a corto raggio e confrontarla con i protoni non correlati.

"La prossima cosa che faremo è un esperimento che stiamo eseguendo nella sala sperimentale B del Jefferson Lab con il rivelatore di neutroni ad angolo posteriore. Misurerà il protone quando è nel deuterio e si muove a velocità diverse. Quindi, vogliamo confrontare i protoni lenti e veloci", afferma Lawrence Weinstein, un coautore principale e professore ed eminente studioso presso la Old Dominion University. "Questo esperimento otterrà dati sufficienti per rispondere alla domanda. Questo punta fortemente a una risposta, ma non è definitivo".

Oltre a questo, il prossimo obiettivo della collaborazione è iniziare a considerare come le correlazioni a corto raggio e l'effetto EMC possono essere ulteriormente studiate in un futuro potenziale collisore elettrone-ione. La collaborazione sta ora lavorando a un progetto per determinare il modo migliore per raggiungere tale obiettivo, utilizzando i fondi forniti dal programma di ricerca e sviluppo Lab-Directed di Jefferson Lab.