Gli scienziati hanno sviluppato una teoria rivoluzionaria per calcolare cosa sta succedendo all'interno di un protone che viaggia alla velocità della luce.

Per più di 2, 000 anni, gli scienziati pensavano che l'atomo fosse la particella più piccola possibile. Quindi, hanno scoperto che ha un nucleo formato da protoni e neutroni circondato da elettroni. Dopo di che, hanno scoperto che i protoni e i neutroni stessi hanno un complesso mondo interno pieno di quark e antiquark tenuti insieme da una forza simile a una supercolla creata dai gluoni.

"I protoni insieme ai neutroni costituiscono oltre il 99 percento dell'universo visibile, significa tutto, dalle galassie e le stelle a noi, " disse Yong Zhao, un fisico presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). "Ancora, c'è ancora molto che non sappiamo sulla ricca vita interiore di protoni o neutroni."

Zhao è coautore di un articolo su un metodo innovativo per calcolare la struttura di quark e gluoni di un protone che viaggia alla velocità della luce. Il nome della creazione della squadra è teoria efficace a grande slancio, LaMET in breve, che funziona congiuntamente con una teoria chiamata cromodinamica quantistica reticolare (QCD).

Il protone è minuscolo:circa 100, 000 volte più piccolo di un atomo, quindi i fisici spesso lo modellano come un punto senza dimensioni. Ma queste nuove teorie possono prevedere cosa sta succedendo all'interno del protone della velocità della luce come se fosse un corpo a tre dimensioni.

Il concetto di quantità di moto è vitale non solo per LaMET ma per la fisica in generale. È uguale alla velocità di un oggetto moltiplicata per la sua massa.

Più di mezzo secolo fa, Zhao ha spiegato, un semplice modello a quark dei fisici Murray Gell-Mann e George Zweig ha scoperto parte della struttura interna del protone a riposo (nessuna quantità di moto). Da quel modello, gli scienziati hanno immaginato il protone come composto da tre quark e hanno previsto le loro proprietà essenziali, come carica elettrica e spin.

Esperimenti successivi con protoni accelerati fino a raggiungere la velocità della luce hanno dimostrato che il protone è ancora più complesso di quanto si pensasse inizialmente. Per esempio, contiene innumerevoli particelle che interagiscono tra loro, non solo tre quark legati da gluoni. E i gluoni possono trasformarsi brevemente in coppie quark-antiquark prima che si distruggano a vicenda e tornino ad essere gluoni. Gli acceleratori di particelle come quello del Fermi National Accelerator Laboratory del DOE hanno prodotto la maggior parte di questi risultati.

"Quando acceleri il protone e lo fai scontrare con un bersaglio, è allora che avviene la magia in termini di rivelazione dei suoi numerosi misteri, " Ha detto Zhao.

Circa cinque anni dopo che il modello a quark semplice ha scosso la comunità dei fisici, un modello proposto da Richard Feynman raffigurava il protone che viaggiava alla velocità della luce come un raggio che trasportava un numero infinito di quark e gluoni che si muovevano nella stessa direzione. Chiamò queste particelle "partoni". Il suo modello a partoni ha ispirato i fisici a definire un insieme di quantità che descrivono la struttura del protone 3D. I ricercatori potrebbero quindi misurare queste quantità in esperimenti con acceleratori di particelle.

Calcoli precedenti con la migliore teoria disponibile all'epoca (lattice QCD) hanno prodotto alcuni dettagli illuminanti sulla distribuzione dei quark e dei gluoni nel protone. Ma avevano un grave difetto:non potevano distinguere con precisione tra partoni veloci e lenti.

La difficoltà era che la QCD reticolare poteva calcolare solo le proprietà del protone che non dipendono dal suo momento. Ma l'applicazione del modello a partoni di Feynman alla QCD reticolare richiede la conoscenza delle proprietà di un protone con quantità di moto infinita, il che significa che le particelle di protone devono viaggiare tutte alla velocità della luce. colmando in parte quella lacuna conoscitiva, LaMET fornisce una ricetta per calcolare la fisica dei partoni dalla QCD reticolare per un momento grande ma finito.

"Abbiamo sviluppato e perfezionato LaMET negli ultimi otto anni, " ha detto Zhao. "Il nostro articolo riassume questo lavoro."

In esecuzione su supercomputer, calcoli QCD reticolari con LaMET stanno generando previsioni nuove e migliorate sulla struttura del protone della velocità della luce. Queste previsioni possono quindi essere messe alla prova in una nuova struttura unica nel suo genere chiamata Electron-Ion Collider (EIC). Questa struttura è in costruzione presso il Brookhaven National Laboratory del DOE.

"Il nostro LaMET può anche prevedere informazioni utili su quantità straordinariamente difficili da misurare, " disse Zhao. "E con supercomputer abbastanza potenti, in alcuni casi, le nostre previsioni potrebbero persino essere più precise di quanto sia possibile misurare all'EIC".

Con una comprensione più profonda della struttura quark-gluone 3D della materia utilizzando la teoria e le misurazioni EIC, gli scienziati sono pronti a raggiungere un quadro molto più dettagliato del protone. Entreremo quindi in una nuova era della fisica dei partoni.

Questa ricerca è stata pubblicata in Recensioni di Fisica Moderna in un articolo intitolato "Large-Momentum Effective Theory". Oltre a Zhao, autori includono Xiangdong Ji (Università del Maryland), Yizhuang Liu (Università Jagellonica), Yu-Sheng Liu (Università Jiao Tong di Shanghai) e Jian-Hui Zhang (Università Normale di Pechino).