Le stelle di neutroni sono tra gli oggetti più densi conosciuti nell'universo, resistere a pressioni così grandi che un cucchiaino di materiale di una stella equivarrebbe a circa 15 volte il peso della luna. Eppure, a quanto pare, i protoni, le particelle fondamentali che costituiscono la maggior parte della materia visibile nell'universo, contengono pressioni ancora più elevate.

Per la prima volta, I fisici del MIT hanno calcolato la distribuzione della pressione di un protone, e ha scoperto che la particella contiene un nucleo altamente pressurizzato che, nel suo punto più intenso, sta generando pressioni maggiori di quelle che si trovano all'interno di una stella di neutroni.

Questo nucleo spinge fuori dal centro del protone, mentre la regione circostante spinge verso l'interno. (Immaginate una palla da baseball che tenta di espandersi all'interno di un pallone da calcio che sta collassando.) Le pressioni in competizione agiscono per stabilizzare la struttura complessiva del protone.

I risultati dei fisici, pubblicato oggi in Lettere di revisione fisica , rappresentano la prima volta che gli scienziati hanno calcolato la distribuzione della pressione di un protone tenendo conto dei contributi sia dei quark che dei gluoni, fondamentale del protone, costituenti subnucleari.

"La pressione è un aspetto fondamentale del protone di cui sappiamo molto poco al momento, ", afferma l'autrice principale Phiala Shanahan, assistente professore di fisica al MIT. "Ora abbiamo scoperto che quark e gluoni al centro del protone stanno generando una significativa pressione verso l'esterno, e oltre ai bordi, c'è una pressione limitante. Con questo risultato, stiamo guidando verso un quadro completo della struttura del protone".

Shanahan ha condotto lo studio con il coautore William Detmold, professore associato di fisica al MIT.

Quark notevoli

A maggio 2018, i fisici del Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno annunciato di aver misurato per la prima volta la distribuzione della pressione del protone, utilizzando un fascio di elettroni che hanno sparato a un bersaglio fatto di idrogeno. Gli elettroni hanno interagito con i quark all'interno dei protoni nel bersaglio. I fisici hanno quindi determinato la distribuzione della pressione in tutto il protone, in base al modo in cui gli elettroni si sono dispersi dal bersaglio. I loro risultati hanno mostrato un centro di alta pressione nel protone che nel suo punto di massima pressione misurava circa 10 ³⁵ pascal, o 10 volte la pressione all'interno di una stella di neutroni.

Però, Shanahan dice che la loro immagine della pressione del protone era incompleta.

"Hanno trovato un risultato piuttosto notevole, " Dice Shanahan. "Ma quel risultato era soggetto a una serie di importanti supposizioni che erano necessarie a causa della nostra comprensione incompleta".

Nello specifico, i ricercatori hanno basato le loro stime di pressione sulle interazioni dei quark di un protone, ma non i suoi gluoni. I protoni sono costituiti sia da quark che da gluoni, che interagiscono continuamente in modo dinamico e fluttuante all'interno del protone. Il team del Jefferson Lab è stato in grado di determinare i contributi dei quark solo con il suo rivelatore, che secondo Shanahan tralascia gran parte del contributo di pressione di un protone.

"Negli ultimi 60 anni, abbiamo acquisito una buona comprensione del ruolo dei quark nella struttura del protone, " dice. "Ma la struttura dei gluoni è lontana, molto più difficile da capire poiché è notoriamente difficile da misurare o calcolare."

Uno spostamento di gluoni

Invece di misurare la pressione di un protone usando acceleratori di particelle, Shanahan e Detmold hanno cercato di includere il ruolo dei gluoni utilizzando supercomputer per calcolare le interazioni tra quark e gluoni che contribuiscono alla pressione di un protone.

"Dentro un protone, c'è un vuoto quantico ribollente di coppie di quark e antiquark, così come i gluoni, apparire e scomparire, " Dice Shanahan. "I nostri calcoli includono tutte queste fluttuazioni dinamiche".

Per fare questo, il team ha impiegato una tecnica in fisica nota come QCD reticolare, per la cromodinamica quantistica, che è un insieme di equazioni che descrive la forza forte, una delle tre forze fondamentali del Modello Standard della fisica delle particelle. (Gli altri due sono la forza debole ed elettromagnetica.) La forza forte è ciò che lega quark e gluoni per formare alla fine un protone.

I calcoli QCD reticolari utilizzano una griglia quadridimensionale, o reticolo, di punti per rappresentare le tre dimensioni dello spazio e una del tempo. I ricercatori hanno calcolato la pressione all'interno del protone utilizzando le equazioni della Cromodinamica Quantistica definite sul reticolo.

"È estremamente impegnativo dal punto di vista computazionale, quindi usiamo i supercomputer più potenti del mondo per fare questi calcoli, "Shanhan spiega.

Il team ha trascorso circa 18 mesi eseguendo varie configurazioni di quark e gluoni attraverso diversi supercomputer diversi, quindi determinato la pressione media in ogni punto dal centro del protone, fuori al suo bordo.

Rispetto ai risultati del Jefferson Lab, Shanahan e Detmold hanno scoperto che, includendo il contributo dei gluoni, la distribuzione della pressione nel protone si è spostata significativamente.

"Abbiamo esaminato per la prima volta il contributo dei gluoni alla distribuzione della pressione, e possiamo davvero vedere che rispetto ai risultati precedenti il ​​picco è diventato più forte, e la distribuzione della pressione si estende più lontano dal centro del protone, " dice Shanahan.

In altre parole, sembra che la pressione più alta nel protone sia di circa 10 ³⁵ pascal, o 10 volte quella di una stella di neutroni, simile a quanto riportato dai ricercatori del Jefferson Lab. La regione di bassa pressione circostante si estende più lontano di quanto precedentemente stimato.

La conferma di questi nuovi calcoli richiederà rivelatori molto più potenti, come l'Electron-Ion Collider, un acceleratore di particelle proposto che i fisici mirano a utilizzare per sondare le strutture interne di protoni e neutroni, in modo più dettagliato che mai, compresi i gluoni.

"Siamo agli inizi della comprensione quantitativa del ruolo dei gluoni in un protone, " Dice Shanahan. "Combinando il contributo del quark misurato sperimentalmente, con il nostro nuovo calcolo del pezzo di gluone, abbiamo il primo quadro completo della pressione del protone, che è una previsione che può essere testata al nuovo collisore nei prossimi 10 anni".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.