Utilizzando il primo nuovo metodo in mezzo secolo per misurare la dimensione del protone tramite dispersione di elettroni, la collaborazione PRad ha prodotto un nuovo valore per il raggio del protone in un esperimento condotto presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell'Energia.

Il risultato, recentemente pubblicato sulla rivista Natura , è uno dei più precisi misurati dagli esperimenti di diffusione di elettroni. Il nuovo valore per il raggio del protone che è stato ottenuto è 0.831 fm, che è più piccolo del precedente valore di dispersione degli elettroni di 0,88 fm ed è in accordo con i recenti risultati della spettroscopia atomica muonica.

"Siamo felici che anni di duro lavoro della nostra collaborazione stiano volgendo al termine con un buon risultato che aiuterà in modo critico verso la soluzione del cosiddetto puzzle del raggio protonico, "dice Ashot Gasparian, professore alla North Carolina A&T State University e portavoce dell'esperimento.

Tutta la materia visibile nell'universo è costruita su una nuvola di tre quark legati insieme da una forte energia di forza. Il protone onnipresente, che sta nel cuore di ogni atomo, è stata oggetto di numerosi studi ed esperimenti volti a svelarne i segreti. Ancora, un risultato inaspettato di un esperimento per misurare le dimensioni di questa nuvola, in termini di raggio di carica quadratico medio, ha unito fisici atomici e nucleari in una raffica di attività per riesaminare questa quantità fondamentale del protone.

Prima del 2010, le misurazioni più precise del raggio del protone provenivano da due diversi metodi sperimentali. Negli esperimenti di diffusione di elettroni, gli elettroni vengono sparati ai protoni, e il raggio di carica del protone è determinato dal cambiamento nel percorso degli elettroni dopo che rimbalzano, o disperso da, il protone. Nelle misurazioni di spettroscopia atomica, si osservano le transizioni tra i livelli energetici da parte degli elettroni (sotto forma di fotoni emessi dagli elettroni) mentre orbitano attorno a un piccolo nucleo. I nuclei che sono stati tipicamente osservati includono idrogeno (con un protone) o deuterio (con un protone e un neutrone). Questi due diversi metodi hanno prodotto un raggio di circa 0,88 femtometri.

Nel 2010, i fisici atomici hanno annunciato i risultati di un nuovo metodo. Hanno misurato la transizione tra i livelli di energia degli elettroni in orbita attorno agli atomi di idrogeno prodotti in laboratorio che hanno sostituito un elettrone orbitante con un muone, che orbita molto più vicino al protone ed è più sensibile al raggio di carica del protone. Questo risultato ha prodotto un valore inferiore del 4% rispetto a prima, a circa 0,84 femtometri.

Nel 2012, una collaborazione di scienziati guidati da Gasparian si è riunita al Jefferson Lab per rinnovare i metodi di diffusione degli elettroni nella speranza di produrre una misurazione nuova e più precisa del raggio di carica del protone. All'esperimento PRad è stata assegnata la priorità di programmazione come uno dei primi esperimenti a raccogliere dati e completare la sua esecuzione a seguito di un aggiornamento della struttura di accelerazione del fascio di elettroni continui, una struttura per gli utenti DOE per la ricerca sulla fisica nucleare. L'esperimento ha preso i dati sulla diffusione degli elettroni nella Experimental Hall B del Jefferson Lab nel 2016.

"Quando abbiamo iniziato questo esperimento, la gente cercava risposte. Ma per fare un altro esperimento di diffusione elettrone-protone, molti scettici non credevano che si potesse fare qualcosa di nuovo, " dice Gasparian. "Se vuoi inventare qualcosa di nuovo, devi inventare nuovi strumenti, qualche nuovo metodo. E lo abbiamo fatto:abbiamo fatto un esperimento completamente diverso dagli altri esperimenti di diffusione di elettroni".

La collaborazione ha istituito tre nuove tecniche per migliorare la precisione della nuova misurazione. La prima è stata l'implementazione di un nuovo tipo di sistema di destinazione senza finestre, che è stato finanziato da una sovvenzione della National Science Foundation Major Research Instrumentation ed è stato ampiamente sviluppato, fabbricato e gestito dal gruppo Target di Jefferson Lab.

Il bersaglio senza finestre ha fatto fluire gas idrogeno refrigerato direttamente nel flusso di elettroni accelerati di 1,1 e 2,2 GeV del CEBAF e ha permesso agli elettroni dispersi di muoversi quasi senza impedimenti nei rivelatori.

"Quando diciamo senza finestre, stiamo dicendo che il tubo è aperto al vuoto dell'acceleratore. Che sembra una finestra, ma nella diffusione degli elettroni, una finestra è una copertura metallica all'estremità del tubo, e quelli sono stati rimossi, "dice Dipangkar Dutta, un co-portavoce dell'esperimento e un professore alla Mississippi State University.

"Quindi questa è la prima volta che le persone mettono effettivamente un obiettivo di flusso di gas sulla linea di luce al Jefferson Lab, "dice Haiyan Gao, un co-portavoce dell'esperimento e professore di Henry Newson alla Duke University. "Il vuoto era buono, in modo che potremmo avere un fascio di elettroni che attraversa il nostro obiettivo per fare l'esperimento, e in realtà abbiamo un foro nella lamina d'ingresso e un altro nella lamina d'uscita. Essenzialmente, il raggio è appena passato direttamente al gas idrogeno, non vedere nessuna finestra."

La successiva grande differenza era l'uso di un calorimetro piuttosto che dello spettrometro magnetico usato tradizionalmente per rilevare gli elettroni dispersi risultanti dagli elettroni in arrivo che colpiscono i protoni o gli elettroni dell'idrogeno. Il calorimetro ibrido riproposto HyCal ha misurato le energie e le posizioni degli elettroni dispersi, mentre un moltiplicatore di elettroni a gas di nuova costruzione, il rivelatore GEM, ha anche rilevato le posizioni degli elettroni con una precisione ancora maggiore.

I dati di entrambi i rilevatori sono stati quindi confrontati in tempo reale, che ha permesso ai fisici nucleari di classificare ogni evento come diffusione elettrone-elettrone o elettrone-protone. Questo nuovo metodo di classificazione degli eventi ha permesso ai fisici nucleari di normalizzare i loro dati di diffusione elettrone-protone con i dati di diffusione elettrone-elettrone, riducendo notevolmente le incertezze sperimentali e aumentando la precisione.

L'ultimo importante miglioramento è stato il posizionamento di questi rivelatori estremamente vicini nella distanza angolare da dove il fascio di elettroni ha colpito il bersaglio di idrogeno. La collaborazione è stata in grado di ridurre quella distanza a meno di un grado.

"Nella diffusione degli elettroni, per estrarre il raggio, dobbiamo andare a un angolo di dispersione il più piccolo possibile, " dice Dutta. "Per ottenere il raggio del protone, devi estrapolare all'angolo zero, a cui non puoi accedere in un esperimento. Così, più vicino allo zero puoi avvicinarti, meglio è."

"La regione che abbiamo esplorato ha un angolo così in avanti e un trasferimento di quattro momenti così piccolo al quadrato che non è mai stato raggiunto prima nello scattering elettrone-protone, "aggiunge Mahbub Khandaker, un co-portavoce dell'esperimento e un professore alla Idaho State University.

I collaboratori dicono che il risultato è unico, perché ha utilizzato una nuova tecnica tramite la diffusione di elettroni per determinare il raggio di carica del protone. Ora, non vedono l'ora di confrontare il risultato con le nuove determinazioni spettroscopiche del raggio del protone e le imminenti misurazioni della diffusione di elettroni e muoni che vengono condotte in tutto il mondo.

Ulteriore, questo risultato getta nuova luce anche sulla congettura di una nuova forza della natura che è stata proposta quando è emerso per la prima volta il puzzle del raggio protonico.

"Quando è uscito il primo puzzle del raggio protonico nel 2010, c'era speranza nella comunità che forse abbiamo trovato una quinta forza della natura, che questa forza agisce in modo diverso tra elettroni e muoni, " dice Dutta. "Ma l'esperimento PRad sembra chiudere la porta a questa possibilità".

Dicono che il prossimo passo è considerare la possibilità di condurre ulteriori indagini utilizzando questo nuovo metodo sperimentale per ottenere misurazioni di precisione ancora più elevate su questo e su argomenti correlati, come il raggio del deuterone, il nucleo di deuterio.

"Ci sono ottime possibilità che possiamo migliorare le nostre misurazioni di un fattore due o forse anche di più, " dice Gao.