Prova a immaginare un protone, la minuscola particella carica positivamente all'interno di un nucleo atomico, e potresti immaginare un diagramma familiare da manuale:un fascio di palle da biliardo che rappresentano quark e gluoni. Dal modello della sfera solida proposto per la prima volta da John Dalton nel 1803 al modello quantistico proposto da Erwin Schrödinger nel 1926, esiste una linea temporale leggendaria di fisici che cercano di visualizzare l'invisibile.

Ora, il professore di fisica del MIT Richard Milner, i fisici del Jefferson Laboratory Rolf Ent e Rik Yoshida, i registi di documentari del MIT Chris Boebel e Joe McMaster e James LaPlante della Sputnik Animation si sono uniti per rappresentare il mondo subatomico in un modo nuovo. Presentata dal MIT Center for Art, Science &Technology (CAST) e Jefferson Lab, "Visualizing the Proton" è un'animazione originale del protone, destinata all'uso nelle aule delle scuole superiori. Ent e Milner hanno presentato l'animazione in conferenze con contributi alla riunione di aprile dell'American Physics Society e l'hanno anche condivisa in un evento comunitario ospitato dal MIT Open Space Programming il 20 aprile. Oltre all'animazione, un cortometraggio documentario sul processo collaborativo è in corso.

È un progetto a cui Milner ed Ent hanno pensato almeno dal 2004, quando Frank Wilczek, il professore di fisica Herman Feshbach al MIT, ha condiviso un'animazione nella sua conferenza Nobel sulla cromodinamica quantistica (QCD), una teoria che predice l'esistenza dei gluoni nel protone. "C'è un lignaggio del MIT enormemente forte sull'argomento", sottolinea Milner, riferendosi anche al Premio Nobel per la fisica del 1990, assegnato a Jerome Friedman e Henry Kendall del MIT e Richard Taylor dello SLAC National Accelerator Laboratory per la loro ricerca pionieristica che conferma l'esistenza di quark.

Per cominciare, i fisici pensavano che l'animazione sarebbe stato un mezzo efficace per spiegare la scienza dietro l'Electron Ion Collider, un nuovo acceleratore di particelle del Dipartimento della scienza dell'energia degli Stati Uniti, che molti docenti del MIT, incluso Milner, così come colleghi come Ent , hanno a lungo sostenuto. Inoltre, le rappresentazioni fisse del protone sono intrinsecamente limitate, incapaci di rappresentare il movimento di quark e gluoni. "Le parti essenziali della fisica coinvolgono l'animazione, il colore, l'annientamento e la scomparsa delle particelle, la meccanica quantistica, la relatività. È quasi impossibile trasmetterlo senza l'animazione", afferma Milner.

Nel 2017, Milner è stato presentato a Boebel e McMaster, che a loro volta hanno coinvolto LaPlante. Milner "aveva l'intuizione che una visualizzazione del loro lavoro collettivo sarebbe stata davvero preziosa", ricorda Boebel degli inizi del progetto. Hanno presentato domanda per una borsa di studio CAST e l'idea del team ha iniziato a prendere vita.

"Il comitato di selezione CAST è stato incuriosito dalla sfida e l'ha vista come una meravigliosa opportunità per evidenziare il processo coinvolto nella realizzazione dell'animazione del protone e dell'animazione stessa", afferma Leila Kinney, direttore esecutivo delle iniziative artistiche e di CAST. "Le vere collaborazioni arte-scienza sono più complesse della comunicazione scientifica o dei progetti di visualizzazione della scienza. Implicano l'unione di modalità diverse e ugualmente sofisticate di fare scoperte creative e decisioni interpretative. È importante comprendere le possibilità, i limiti e le scelte già incorporate nel tecnologia visiva selezionata per visualizzare il protone. Ci auguriamo che le persone ottengano una migliore comprensione dell'interpretazione visiva come modalità di indagine critica e produzione di conoscenza, nonché della fisica."

Boebel e McMaster hanno filmato il processo di creazione di tale interpretazione visiva da dietro le quinte. "È sempre impegnativo quando si riuniscono persone veramente esperte di livello mondiale, ma provenienti da regni diversi, e si chiede loro di parlare di qualcosa di tecnico", afferma McMaster degli sforzi del team per produrre qualcosa sia scientificamente accurato che visivamente accattivante. "Il loro entusiasmo è davvero contagioso."

Nel febbraio 2020, l'animatore LaPlante ha accolto gli scienziati e i registi nel suo studio nel Maine per condividere la sua prima ideazione. Sebbene la comprensione del mondo della fisica quantistica abbia rappresentato una sfida unica, spiega:"Uno dei vantaggi che ho è che non provengo da un background scientifico. Il mio obiettivo è sempre quello di avvolgere la mia testa intorno alla scienza e poi capire, "OK, bene, che aspetto ha?""

I gluoni, ad esempio, sono stati descritti come molle, elastici e aspiratori. LaPlante ha immaginato la particella, pensata per tenere insieme i quark, come una vasca di melma. Se metti il ​​pugno chiuso e provi ad aprirlo, crei un vuoto d'aria, rendendo più difficile aprire il pugno perché il materiale circostante vuole avvolgerlo.

LaPlante è stato anche ispirato a utilizzare il suo software 3D per "congelare il tempo" e volare attorno a un protone immobile, solo per i fisici che lo informarono che tale interpretazione era imprecisa sulla base dei dati esistenti. Gli acceleratori di particelle possono rilevare solo una fetta bidimensionale. In effetti, i dati tridimensionali sono qualcosa che gli scienziati sperano di catturare nella loro prossima fase di sperimentazione. Si erano scontrati tutti contro lo stesso muro, e la stessa domanda, nonostante avessero affrontato l'argomento in modi completamente diversi.

"La mia arte riguarda davvero la chiarezza della comunicazione e il tentativo di portare la scienza complessa a qualcosa di comprensibile", afferma LaPlante. Proprio come nella scienza, sbagliare è spesso il primo passo del suo processo artistico. Tuttavia, il suo tentativo iniziale di animazione è stato un successo con i fisici, che hanno perfezionato con entusiasmo il progetto su Zoom.

"Ci sono due manopole di base che gli sperimentatori possono comporre quando disperdiamo un elettrone da un protone ad alta energia", spiega Milner, proprio come la risoluzione spaziale e la velocità dell'otturatore nella fotografia. "Quelle variabili della telecamera hanno analogie dirette nel linguaggio matematico dei fisici che descrivono questa dispersione."

Quando il "tempo di esposizione" o Bjorken-X, che in QCD è l'interpretazione fisica della frazione della quantità di moto del protone trasportata da un quark o gluone, viene abbassato, si vede il protone come un numero quasi infinito di gluoni e quark che si muovono molto velocemente. Se Bjorken-X viene sollevato, vedrai tre blob, o quark di Valence, in rosso, blu e verde. Quando la risoluzione spaziale viene composta, il protone passa dall'essere un oggetto sferico a un oggetto a forma di frittella.

"Pensiamo di aver inventato un nuovo strumento", afferma Milner. "Ci sono domande scientifiche di base:come sono distribuiti i gluoni in un protone? Sono uniformi? Sono agglomerati? Non lo sappiamo. Queste sono domande fondamentali e fondamentali che possiamo animare. Pensiamo che sia uno strumento per la comunicazione, la comprensione e discussione scientifica.

"Questo è l'inizio. Spero che le persone lo vedano in tutto il mondo e si ispirino". + Esplora ulteriormente

Esame delle origini dello spin del protone

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.