I protoni sono uno dei principali elementi costitutivi dell'universo visibile. Insieme ai neutroni, costituiscono i nuclei di ogni atomo. Ancora, diverse domande incombono su alcune delle proprietà più fondamentali del protone, come le sue dimensioni, struttura interna e spin intrinseco. A dicembre 2020, il CERN Research Board ha approvato la prima fase ("fase-1") di un nuovo esperimento che aiuterà a risolvere alcune di queste domande. AMBRA, o Apparato per la Ricerca Sperimentale su Mesoni e Barioni, sarà il successore di prossima generazione dell'esperimento COMPASS del Laboratorio.

COMPASS riceve fasci di particelle dal Super Proton Synchrotron del CERN e li dirige su vari bersagli per studiare come quark e gluoni formano adroni (come protoni, pioni e kaoni) e conferiscono a queste particelle composite le loro proprietà distintive. Utilizzando questo approccio, COMPASS ha ottenuto molti importanti risultati, inclusi diversi risultati legati alla struttura di spin del protone e una misura della polarizzabilità del pione; la polarizzabilità di un adrone è il grado in cui le sue cariche elettriche positive e negative costituenti possono essere separate in un campo elettrico.

AMBER si baserà sull'eredità di COMPASS e la porterà al livello successivo. Aggiornando i componenti COMPASS esistenti e introducendo nuovi rilevatori e target, oltre all'utilizzo di tecnologie di lettura all'avanguardia, il team di AMBER prevede di eseguire tre tipi di misurazioni nella prima fase dell'esperimento.

Primo, inviando muoni, cugini più pesanti dell'elettrone, su un bersaglio di idrogeno, il team di AMBER intende determinare con elevata precisione il raggio di carica del protone, l'estensione della distribuzione spaziale della carica elettrica della particella. Questa misurazione aiuterebbe a risolvere il puzzle del raggio protonico, che è emerso nel 2010 quando una nuova misurazione del raggio del protone è risultata sostanzialmente diversa dalle misurazioni precedentemente accettate.

Secondo, dirigendo i protoni su bersagli di protoni ed elio-4, AMBRA determinerà il tasso di produzione poco noto di antiprotoni, le controparti di antimateria dei protoni, in queste collisioni. Queste misurazioni miglioreranno l'accuratezza delle previsioni del flusso di antiprotoni nei raggi cosmici, che sono necessari per interpretare i dati degli esperimenti alla ricerca di prove di materia oscura nel flusso di raggi cosmici antiprotonici.

Terzo, concentrando i pioni su obiettivi nucleari, AMBER misurerà le distribuzioni del momento dei quark e dei gluoni che formano il pione. Queste misurazioni getteranno luce sulla dinamica delle particelle che tiene insieme il pione e in definitiva sull'origine delle masse degli adroni, che è tecnicamente noto come l'emergenza della massa di adroni.

Ulteriori approfondimenti sull'emergenza della massa di adroni sono anticipati dagli studi sulla struttura interna dei kaoni nella seconda fase ("fase-2") di AMBER. Questi studi richiedono che la linea di luce che alimenta COMPASS sia aggiornata per fornire un raggio di kaoni carichi di alta energia e intensità.

La combinazione dei risultati di pioni e kaoni di AMBER porterà a una migliore comprensione dell'interazione tra i due meccanismi naturali di generazione di massa:il meccanismo che conferisce agli adroni le loro masse e il meccanismo di Higgs, che conferisce massa alle particelle elementari massicce.