L'asimmetria nel protone confonde i fisici, ma una nuova scoperta potrebbe riportare alla luce vecchie teorie per spiegarlo.

Simmetria:mostrata in aree che vanno dalla matematica e l'arte, agli organismi viventi e alle galassie, è un'importante struttura sottostante in natura. Caratterizza il nostro universo e ne consente lo studio e la comprensione.

Poiché la simmetria è un tema così pervasivo in natura, i fisici sono particolarmente incuriositi quando un oggetto sembra che dovrebbe essere simmetrico, ma non lo è. Quando gli scienziati si confrontano con queste simmetrie spezzate, è come se avessero trovato un oggetto con uno strano riflesso nello specchio.

Il protone, una particella carica positivamente che esiste al centro di ogni atomo, mostra asimmetria nella sua composizione. I fisici dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e i loro collaboratori hanno recentemente studiato le complessità di questa nota simmetria rotta attraverso un esperimento condotto presso il Fermi National Accelerator Laboratory del DOE. I risultati dell'esperimento potrebbero spostare la ricerca sul protone facendo rivivere teorie precedentemente scartate sui suoi meccanismi interni.

L'esito di questo esperimento contraddice la conclusione di uno studio della fine degli anni '90, si è esibito anche al Fermilab. Gli scienziati possono ora rivisitare le teorie per descrivere l'asimmetria nel protone che erano state escluse dal vecchio esperimento.

Comprendere le proprietà del protone aiuta i fisici a rispondere ad alcune delle domande più fondamentali in tutta la scienza, e investigando il mondo al più piccolo livello, gli scienziati stanno facendo avanzare la tecnologia che usiamo ogni giorno. Gli studi sul protone hanno portato allo sviluppo della terapia protonica per il trattamento del cancro, misurazione della radiazione protonica durante i viaggi spaziali e persino comprensione della formazione stellare e dell'universo primordiale.

"Siamo stati in grado di guardare le dinamiche sconcertanti all'interno del protone, " ha detto il fisico di Argonne Don Geesaman, "e attraverso questo esperimento, la natura sta aprendo la strada ai concetti nei vecchi modelli del protone per avere una seconda occhiata."

Materia non corrispondente

Proprio come le forme possono avere simmetria, le particelle possono, pure. Un cerchio perfetto è costituito da due semicerchi della stessa dimensione rivolti in direzioni opposte, e ogni tipo di particella nell'universo ha un'antiparticella della stessa massa con carica elettrica opposta.

Gli elementi costitutivi del protone includono particelle chiamate quark, e le loro antiparticelle, chiamati antiquark. Vengono in "sapori", come su, fuori uso, anti-up e anti-down. Quark e antiquark sono legati insieme all'interno del protone da una forte forza nucleare. La forza di questa forza può tirare fuori dal nulla coppie di quark e antiquark, e queste coppie esistono per breve tempo prima di annichilirsi a vicenda. Questo "mare" di quark e antiquark che entrano ed escono dall'esistenza è sempre presente all'interno del protone.

Curiosamente, in qualunque momento, ci sono tre quark in più rispetto agli antiquark:due quark up in più rispetto ai quark anti-up, e un quark down in più rispetto ai quark anti-down. In altre parole, questi quark non corrispondenti non hanno controparti di antimateria. Questa asimmetria è la ragione per cui i protoni sono carichi positivamente, permettendo agli atomi, e quindi a tutta la materia, di esistere.

"Abbiamo ancora una comprensione incompleta dei quark in un protone e di come danno origine alle proprietà del protone, " ha detto Paul Reimer, un fisico Argonne sullo studio. "La natura fugace delle coppie quark-antiquark rende difficile studiare la loro presenza nei protoni, ma in questo esperimento, abbiamo rilevato gli annichilimenti degli antiquark, che ci ha dato un'idea dell'asimmetria."

L'esperimento ha determinato che ci sono sempre più quark anti-down nel protone che quark anti-up, non importa il momento dei quark. Il significato di questo risultato è la sua contraddizione con la conclusione dell'esperimento Fermilab alla fine degli anni '90, che suggeriva che ad alti slanci, l'asimmetria del protone si inverte, il che significa che i quark anti-up iniziano a dominare i quark anti-down.

"Abbiamo progettato il nuovo esperimento per esaminare questi momenti elevati per determinare se questo cambiamento si verifica davvero, " ha detto Reimer. "Abbiamo dimostrato che c'è un'asimmetria uniforme senza capovolgimento del rapporto tra quark anti-up e anti-down".

Ricostruire l'annientamento

Per sondare i quark e gli antiquark nel protone, gli scienziati hanno sparato fasci di protoni ai bersagli e hanno studiato le conseguenze delle collisioni di particelle. Nello specifico, hanno studiato cosa succede dopo che un protone del raggio colpisce un protone nel bersaglio.

Quando i protoni si scontrano, i quark e gli antiquark dei protoni si annichilano a vicenda. Quindi, dall'annichilazione escono due nuove particelle fondamentali chiamate muoni, fungendo da firma dell'interazione. Da queste interazioni, gli scienziati hanno determinato il rapporto tra quark anti-up e quark anti-down in una gamma di momenti elevati.

"Abbiamo scelto di misurare i muoni perché possono attraversare il materiale meglio della maggior parte degli altri frammenti di collisione, " ha detto Reimer. Tra i bersagli e i loro dispositivi di misurazione, il team ha posizionato un muro di ferro spesso cinque metri per impedire ad altre particelle di attraversarlo e offuscarne i segnali.

Quando i muoni colpiscono i dispositivi di misurazione alla fine del loro viaggio, gli scienziati hanno ricostruito le annichilazioni quark-antiquark dalle misurazioni, consentendo loro di confermare il liscio, rapporto consistente tra quark anti-up e quark anti-down.

Un secondo sguardo

"Ciò che pensavamo di aver visto nell'esperimento precedente non è ciò che accade, " disse Geesaman, che ha fatto parte sia del presente che di quelli precedenti. "Come mai, anche se? Questo è il prossimo passo".

Le teorie che sono state respinte dopo aver contraddetto i risultati dell'esperimento precedente ora danno una grande descrizione dei nuovi dati, e gli scienziati possono rivisitarli con maggiore sicurezza grazie a questo esperimento. Queste teorie informeranno ulteriori esperimenti sull'asimmetria nel protone e in altre particelle, aggiungendo alla nostra comprensione della teoria che circonda i quark.

Gli indizi sulla natura dei quark nel protone alla fine portano a una migliore comprensione del nucleo atomico. Comprendere il nucleo può demistificare le proprietà dell'atomo e il modo in cui i diversi elementi chimici reagiscono tra loro. La ricerca sui protoni tocca campi tra cui la chimica, astronomia, cosmologia e biologia, portando a progressi nella medicina, scienza dei materiali e altro ancora.

"Hai bisogno di esperimenti per guidare la teoria del pensiero e dei vincoli, e qui, stavamo cercando la natura per darci un'idea della dinamica del protone, " ha detto Geesaman. "È un ciclo intrecciato di esperimenti e teorie che porta a ricerche di grande impatto".

Un documento sullo studio, "L'asimmetria dell'antimateria nel protone", è stato pubblicato in Natura il 24 febbraio.