I fisici della Florida State University stanno usando le collisioni fotone-protone per catturare particelle in una regione energetica inesplorata, fornendo nuove intuizioni sulla materia che lega insieme parti del nucleo.

"Vogliamo capire non solo il nucleo, ma tutto ciò che costituisce il nucleo, Paul Eugenio, professore di fisica dell'FSU. "Stiamo lavorando per comprendere le particelle e le forze che compongono il nostro mondo".

Il gruppo di fisica adronica della FSU è un membro di spicco della GlueX Collaboration presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Il gruppo ha condotto esperimenti altamente sofisticati 24 ore su 24 per mesi alla volta per diversi anni a partire dal 2016. Il loro obiettivo principale è quello di scovare nuove informazioni sul materiale, chiamato campo gluonico, che lega insieme i quark. I quark sono particelle fondamentali che creano protoni e neutroni.

In un nuovo articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , il gruppo di fisica adronica della Florida State University e i loro collaboratori hanno tracciato le prime misurazioni in assoluto di una particella subatomica, chiamata particella J/psi, creata dall'energia nelle collisioni fotone-protone.

"È davvero bello vedere, " ha detto l'assistente professore di fisica Sean Dobbs. "Questo sta aprendo una nuova frontiera della fisica".

Quando i ricercatori eseguono questi esperimenti, fanno esplodere un raggio di fotoni nello spettrometro GlueX dove passa attraverso un contenitore di idrogeno liquido e reagisce con i protoni nel nucleo di questi atomi di idrogeno. Da li, i rivelatori misurano le particelle create in queste collisioni, che consente ai fisici di ricostruire i dettagli della collisione e saperne di più sulle particelle create.

Dobbs l'ha paragonato a un incidente d'auto. Potresti non vedere il naufragio accadere, ma vedi il risultato e puoi lavorare all'indietro. In questo caso, i ricercatori hanno raccolto da uno a due milioni di gigabyte di dati all'anno attraverso questo processo per cercare di mettere insieme il puzzle.

La particella J/psi è composta da una coppia di quark:un quark charm e un quark anti-charm. Nel misurare la particella J/psi in queste collisioni, gli scienziati possono anche cercare la produzione di altre particelle subatomiche contenenti quark charm.

Le misurazioni sono state effettuate a una soglia energetica inferiore a quella in cui studi precedenti hanno esaminato i livelli di produzione, il che significa che era più sensibile alla distribuzione dei gluoni nel protone e ai loro contributi alla massa del protone.

Gli scienziati hanno scoperto una produzione di particelle J/psi molto più grande del previsto, il che significa che questa struttura gluonica è un grande contributore alla massa della struttura protonica, e quindi il nucleo nel suo insieme. Queste misurazioni iniziali suggeriscono che i gluoni contribuiscono direttamente più dell'80% della massa del protone. Ulteriori misurazioni di queste reazioni attualmente in corso daranno maggiori informazioni su come i gluoni sono distribuiti attorno al nucleone.

Queste misurazioni hanno anche messo in discussione le osservazioni degli esperimenti sul Large Hadron Collider, un rivelatore di particelle al CERN, l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare. Gli scienziati hanno brevemente intravisto quelli che chiamano pentaquark, particelle di breve durata composte da cinque quark.

I fisici dell'FSU non hanno visto specificamente i pentaquark nei loro dati, che ha escluso diversi modelli che tentano di descrivere la struttura di questi pentaquark. Ulteriori misurazioni in corso dovrebbero dare una risposta più definitiva su come sono disposti i cinque quark in queste particelle.