Quando un protone si scontra con un protone, il gluone emesso da uno dei quark di valenza può interagire con un quark virtuale della coppia quark-antiquark all'interno dell'altro protone. Secondo il modello GEM, il risultato di tale interazione sarà un protone veloce con una struttura intatta di quark di valenza, e altre particelle create nei processi che hanno luogo nella regione di interazione (delineata in bianco). Credito:IFJ PAN / Dual Color
All'interno di ogni protone o neutrone ci sono tre quark legati da gluoni. Fino ad ora, si è spesso ipotizzato che due di essi formino una coppia "stabile" nota come diquark. Sembra, però, che è la fine della strada per i diquark in fisica. Questa è una delle conclusioni del nuovo modello di collisione protone-protone o protone-nucleo, che tiene conto delle interazioni dei gluoni con il mare di quark e antiquark virtuali.
In fisica, l'emergere di un nuovo modello teorico spesso è di cattivo auspicio per i vecchi concetti. Questo è anche il caso della descrizione delle collisioni di protoni con protoni o nuclei atomici, proposto da scienziati dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) di Cracovia. Nell'ultimo modello, un ruolo significativo è svolto dalle interazioni dei gluoni emessi da un protone con il mare di quark e antiquark virtuali, apparire e scomparire all'interno di un altro protone o neutrone.
I gluoni sono portatori della forza forte, una delle quattro forze fondamentali della natura. Questo lega i quark in strutture composite, come protoni o neutroni. In molti aspetti, la forza forte differisce dalle altre. Per esempio, non si indebolisce, ma cresce con la distanza tra le particelle. Inoltre, a differenza dei fotoni, i gluoni trasportano un tipo specifico di carica (pittorescamente noto come colore) e possono interagire tra loro.
La maggior parte delle reazioni nucleari, compresa la maggior parte delle collisioni di protoni con protoni o nuclei atomici, sono processi in cui le particelle si "sfiorano" l'una contro l'altra scambiandosi gluoni. Le collisioni di questo tipo sono chiamate "soft" dai fisici e causano loro problemi, poiché la teoria che li descrive è incalcolabile dai primi principi. Così, per necessità, tutti i modelli odierni di processi soft sono più o meno fenomenologici.
"All'inizio, volevamo solo vedere come lo strumento esistente, noto come modello a doppio partone, gestisce dati sperimentali più precisi sulle collisioni protone-protone e nucleo protone-carbonio, " ricorda il prof. Marek Jezabek (IFJ PAN). "Si è scoperto rapidamente che non se la cavava bene. Così abbiamo deciso, sulla base del vecchio modello in sviluppo da oltre quattro decenni, cercare di creare qualcosa che fosse da un lato più preciso, e dall'altro più vicino alla natura dei fenomeni descritti."
Una delle possibili collisioni di un protone e due protoni/neutroni in un nucleo di carbonio, secondo il modello GEM. Due quark di valenza di un gluoni a scambio protonico con quark di valenza in due protoni/neutroni del nucleo di carbonio. I tre quark del protone in arrivo non sono più neutri di colore. Questi quark, mostrato in rosso a destra, deve quindi catturare altre particelle dalla regione di interazione (mostrata in bianco), con conseguente produzione di particelle secondarie. Credito:IFJ PAN / Dual Color
Anche il modello a scambio gluonico (GEM) costruito all'IFJ PAN è fenomenologico. Però, non si basa su analogie con altri fenomeni fisici, ma direttamente sull'esistenza di quark e gluoni e sulle loro proprietà fondamentali. Inoltre, GEM tiene conto dell'esistenza in protoni e neutroni non solo di triplette dei quark principali (di valenza), ma anche il mare di coppie di quark e antiquark virtuali che sorgono e si annientano costantemente. Inoltre, tiene conto delle limitazioni derivanti dal principio di conservazione del numero barionico. In termini semplificati, dice che il numero di barioni (cioè, protoni e neutroni) esistenti prima e dopo l'interazione devono rimanere invariati. Poiché ogni quark porta il proprio numero barionico (uguale a 1/3), questo principio fornisce conclusioni più attendibili su ciò che sta accadendo con i quark ei gluoni scambiati tra loro.
"GEM ci ha permesso di esplorare nuovi scenari del corso di eventi che coinvolgono protoni e neutroni, " dice il Dr. Andrzej Rybicki (IFJ PAN). "Immaginiamo, Per esempio, che nel corso di una collisione morbida protone-protone, uno dei protoni emette un gluone, che colpisce l'altro protone, non il suo quark di valenza, ma un quark dal mare virtuale che esiste per una frazione di momento. Quando un tale gluone viene assorbito, il quark marino e l'antiquark che formano una coppia cessano di essere virtuali e si materializzano in altre particelle in specifici stati finali. Si noti che in questo scenario, si formano nuove particelle nonostante il fatto che i quark di valenza di uno dei protoni siano rimasti intatti".
Il modello gluonico di Cracovia porta a spunti interessanti, di cui due particolarmente degni di nota. La prima riguarda l'origine dei protoni diffrattivi, osservato nelle collisioni protone-protone. Questi sono protoni veloci che escono dal sito di collisione con piccoli angoli. Fino ad ora, si credeva che non potessero essere prodotti da processi di cambiamento di colore e che qualche altro meccanismo fisico fosse responsabile della loro produzione. Ora, si scopre che la presenza di protoni diffrattivi può essere spiegata dall'interazione del gluone emesso da un protone con i quark marini di un altro protone.
Interessante anche un'altra osservazione. La precedente descrizione delle collisioni morbide presumeva che due dei tre quark di valenza di un protone o di un neutrone fossero legati insieme in modo da formare una "molecola" chiamata diquark. L'esistenza del diquark era un'ipotesi che non tutti i fisici avrebbero garantito indiscriminatamente, ma il concetto è stato ampiamente utilizzato, qualcosa che ora è probabile che cambi. Il modello GEM è stato confrontato con dati sperimentali che descrivono una situazione in cui un protone si scontra con un nucleo di carbonio e interagisce con due o più protoni/neutroni lungo il percorso. Si è scoperto che per essere coerenti con le misurazioni, sotto il nuovo modello, la disintegrazione del diquark deve essere assunta in almeno la metà dei casi.
"Così, ci sono molte indicazioni che il diquark in un protone o neutrone non sia un oggetto fortemente legato. Può essere che il diquark esista effettivamente solo come configurazione casuale di due quark che formano una cosiddetta antitripletta di colore, e ogni volta che può, si disintegra immediatamente, " dice il dottor Rybicki.
Il modello di Cracovia dello scambio gluonico spiega una classe più ampia di fenomeni in un modo più semplice e coerente rispetto agli strumenti esistenti per la descrizione delle collisioni morbide. I risultati attuali, presentato in un articolo pubblicato su Lettere di fisica B , hanno interessanti implicazioni per i fenomeni di annichilazione materia-antimateria, in cui un antiprotone potrebbe annichilarsi su più di un protone/neutrone nel nucleo atomico. Perciò, gli autori hanno già formulato per primi, proposte preliminari per eseguire nuove misure al CERN con un fascio di antiprotoni.
