Mentre i protoni popolano il nucleo di ogni atomo dell'universo, a volte possono essere schiacciati in una dimensione più piccola e scivolare fuori dal nucleo per divertirsi da soli. L'osservazione di questi protoni schiacciati può offrire intuizioni uniche sulle particelle che costruiscono il nostro universo.

Ora, i ricercatori a caccia di questi protoni schiacciati presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti sono arrivati ​​a mani vuote, suggerendo che c'è di più nel fenomeno di quanto si pensasse. Il risultato è stato recentemente pubblicato su Lettere di revisione fisica .

"Stavamo cercando di spremere il protone in modo che i suoi quark siano in una configurazione di piccole dimensioni. Ed è una cosa piuttosto difficile da fare, " disse Holly Szumila-Vance, uno scienziato del Jefferson Lab.

I protoni sono formati da tre quark legati dalla forza forte. In un protone ordinario, la forza forte è così forte che fuoriesce, facendo aderire il protone ad altri protoni e neutroni attorno ad esso nel nucleo. Questo è secondo la cromodinamica quantistica, o QCD, la teoria che descrive come interagiscono i quark e la forza forte. In QCD, la forza forte viene anche chiamata forza del colore.

Però, La QCD prevede anche che il protone possa essere schiacciato in modo tale che i quark diventino più strettamente intrecciati, essenzialmente avvolgendosi così strettamente nella forza del colore che non fuoriesce più dal protone. Quando ciò accade, il protone non si attacca più ad altre particelle e può muoversi liberamente attraverso il nucleo. Questo fenomeno è chiamato "trasparenza del colore, " poiché il protone è diventato invisibile alla forza cromatica delle particelle che lo circondano.

"È una previsione fondamentale della cromodinamica quantistica, la teoria che descrive queste particelle, Szumila-Vance ha spiegato.

Un precedente esperimento ha mostrato la trasparenza del colore in particelle più semplici fatte di quark chiamate pioni. Dove i protoni hanno tre quark, i pioni ne hanno solo due. Inoltre, un altro esperimento condotto con i protoni aveva anche suggerito che i protoni possono anche mostrare la trasparenza del colore a energie ben alla portata della struttura recentemente rinnovata del Jefferson Lab.

"Ci aspettavamo di trovare i protoni schiacciati proprio come i pioni, " disse Dipangkar Dutta, professore alla Mississippi State University e portavoce dell'esperimento. "Ma siamo andati a energie sempre più alte e ancora non le troviamo."

L'esperimento è stato uno dei primi ad essere eseguito nel Continuous Electron Beam Accelerator Facility, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, dopo il suo aggiornamento a 12 GeV. Nell'esperimento, i fisici nucleari hanno diretto gli elettroni ad alta energia dal CEBAF nei nuclei degli atomi di carbonio. Hanno quindi misurato gli elettroni in uscita e tutti i protoni in uscita.

"È stato un esperimento entusiasmante di cui far parte. È stato il primo esperimento eseguito nella sala sperimentale C dopo aver aggiornato la sala per l'esecuzione a 12 GeV, " ha detto Szumila-Vance. "Questi erano i protoni con il momento più alto misurati al Jefferson Lab, e i protoni con il più alto momento mai prodotti dalla diffusione di elettroni."

"Alle energie che stiamo sondando, il protone è solitamente decimato, e stai guardando i detriti del protone, " Spiegò Dutta. "Ma nel nostro caso, vogliamo che il protone rimanga un protone, e l'unico modo in cui ciò può accadere è se i quark si stringono insieme, tenersi l'un l'altro molto più strettamente in modo che possano fuggire insieme dal nucleo."

Mentre i fisici nucleari hanno osservato diverse migliaia di protoni nell'esperimento, non hanno trovato i segni rivelatori della trasparenza del colore nei nuovi dati.

"Penso che questo ci dica che il protone è più complicato di quanto ci aspettassimo, " ha detto Szumila-Vance. "Questa è una previsione fondamentale della teoria. Sappiamo che deve esistere ad alta energia, ma non so ancora dove accadrà".

I ricercatori hanno affermato che il prossimo passo è comprendere meglio il fenomeno nelle particelle più semplici dove è già stato osservato, in modo che si possano fare previsioni migliori per particelle più complesse, come i protoni.