Rispetto allo spettro di massa dei mesoni sul lato sinistro, e protoni, neutroni e barioni sul lato destro, è chiaro che i pioni sono molto leggeri. Attestazione:Kavli IPMU
Usando solo carta e penna, un fisico teorico ha dimostrato un'affermazione vecchia di decenni che una forte forza chiamata Quantum Chromo Dynamics (QCD) porta a pioni leggeri, riporta un nuovo studio pubblicato il 23 giugno in Lettere di revisione fisica .
La forza forte è responsabile di molte cose nel nostro Universo, dal far splendere il sole, mantenere i quark all'interno dei protoni. Questo è importante perché fa in modo che protoni e neutroni si leghino per formare i nuclei di ogni atomo esistente. Ma c'è ancora molto mistero che circonda la forza forte. La relazione di Einstein E=mc2 significa che una forza forte porta a più energia, e più energia significa una massa più pesante. Ma le particelle subatomiche chiamate pioni sono molto leggere. Altrimenti i nuclei non si legherebbero, non ci sarebbero atomi diversi dall'idrogeno, e non esisteremmo. Come mai?
Quando i quark furono scoperti sperimentalmente facendoli uscire da un protone con elettroni energetici, gli scienziati hanno fornito la "spiegazione" che una proprietà della forza forte chiamata confinamento stava imprigionando i quark, impedendo loro di essere osservati direttamente. Però, restava il mistero che nessuno poteva fornire prove teoriche che il confinamento derivasse dalla QCD.
Il compianto premio Nobel Yoichiro Nambu propose un concetto chiamato "rottura spontanea della simmetria" responsabile della creazione di particelle essenzialmente prive di massa equivalenti ai pioni. Ecco perché questi pioni sono così leggeri (nel mondo reale, piccola massa intrinseca dei quark non crea particelle completamente prive di massa). Ma ancora una volta, nessuno potrebbe dimostrare che la teoria della forza forte, QCD, realizza la rottura spontanea della simmetria proposta.
(Sinistra) Se i pioni fossero pesanti, non sarebbero in grado di mediare una forza forte tra due protoni, e di conseguenza i protoni si allontanerebbero l'uno dall'altro. (A destra) Come i pioni leggeri nel mondo reale sono in grado di legare insieme due protoni mediando una forte forza tra di loro. In altre parole, se i pioni non fossero leggeri, protoni e neutroni non sarebbero in grado di legarsi insieme per formare nuclei, e gli unici atomi nell'Universo sarebbero atomi di idrogeno a protoni singoli. Credito:Kavli IPMU
Quindi il ricercatore principale del Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) Hitoshi Murayama ha risolto questo problema utilizzando una versione della teoria con un miglioramento matematicamente elegante chiamato supersimmetria. Eppure il mondo reale non ha la supersimmetria. Murayama si è avvicinato al mondo reale usando un modo specifico di rompere la supersimmetria chiamato mediazione dell'anomalia che ha proposto nel 1998.
Così facendo, Murayama è riuscito a dimostrare che il QCD porta effettivamente a pioni molto leggeri, qualcosa che era stato suggerito da simulazioni numeriche con supercomputer, ma tecnicamente impossibile con i quark senza massa per rispondere definitivamente alla domanda.
Una sintesi di questo studio. (Sinistra) Nel 1994, Nathan Seiberg e Edward Witten hanno proposto un modello con supersimmetria estesa per mostrare che il confinamento era una conseguenza della Quantum Chromo Dynamics (QCD). (A destra) Nel 1961, Yoichiro Nambu ha proposto un concetto di QCD chiamato rottura della simmetria chirale, che forniva una rappresentazione nel mondo reale della forza forte. (Centro) Nel 2021, Hitoshi Murayama ha usato la mediazione dell'anomalia, che lui e collaboratori hanno proposto nel 1998, rompere la supersimmetria, permettendogli di collegare il modello Seiberg e Witten al mondo reale che Nambu aveva proposto. Di conseguenza, Murayama è stato in grado di trovare la prova teorica della previsione di Nambu che i pioni sono leggeri perché la rottura della simmetria chirale si verifica nella QCD. Attestazione:Kavli IPMU
"Ho sempre sperato di capire come funziona la forza nucleare forte in modo che possiamo esistere. Sono molto entusiasta di essere riuscito a dimostrare la teoria di Nambu da QCD che è stata così difficile per decenni. Questa è una parte della mia lunga ricerca sul perché noi La fisica potrebbe non essere troppo lontana dal rispondere a questa domanda millenaria, " disse Murayama.
Lo studio potrebbe aprire nuove strade allo studio della dinamica delle teorie di gauge non supersimmetriche.
