Gli scienziati stanno tenendo uno "specchio" su protoni e neutroni per saperne di più sulle particelle che costruiscono il nostro universo visibile. L'esperimento MARATHON, condotto presso la Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, ha avuto accesso a nuovi dettagli sulle strutture di queste particelle confrontando i cosiddetti nuclei specchio, elio-3 e tritone. I risultati sono stati recentemente pubblicati in Lettere di revisione fisica .

Le particelle fondamentali che formano la maggior parte della materia che vediamo nell'universo - quark e gluoni - sono sepolte in profondità all'interno dei protoni e dei neutroni, i nucleoni che compongono i nuclei atomici. L'esistenza di quark e gluoni è stata confermata per la prima volta mezzo secolo fa in esperimenti vincitori del Premio Nobel condotti presso lo Stanford Linear Accelerator Center del DOE (ora noto come SLAC National Accelerator Laboratory).

Questi esperimenti unici nel loro genere hanno introdotto l'era della dispersione anelastica profonda. Questo metodo sperimentale utilizza elettroni ad alta energia che viaggiano in profondità all'interno di protoni e neutroni per sondare i quark e i gluoni presenti.

"Quando diciamo scattering anelastico profondo, ciò che intendiamo è che i nuclei bombardati da elettroni nel raggio si rompono istantaneamente rivelando così i nucleoni al loro interno quando gli elettroni dispersi vengono catturati con sistemi di rilevamento delle particelle all'avanguardia", ha affermato Gerassimos ( Makis) Petratos, professore alla Kent State University e portavoce e referente dell'esperimento MARATHON.

Gli enormi sistemi di rilevamento delle particelle che raccolgono gli elettroni che emergono da queste collisioni misurano la loro quantità di moto, una quantità che include la massa e la velocità degli elettroni.

Da quei primi esperimenti cinque decenni fa, esperimenti di diffusione anelastica profonda sono stati eseguiti in tutto il mondo in vari laboratori. Questi esperimenti hanno alimentato la comprensione da parte dei fisici nucleari del ruolo di quark e gluoni nelle strutture di protoni e neutroni. Oggi, gli esperimenti continuano a perfezionare questo processo per ottenere informazioni sempre più dettagliate.

Nell'esperimento MARATHON recentemente completato, i fisici nucleari hanno confrontato per la prima volta i risultati di esperimenti di diffusione anelastica profonda in due nuclei specchio per conoscere le loro strutture. I fisici hanno scelto di concentrarsi sui nuclei di elio-3 e trizio, che è un isotopo dell'idrogeno. Mentre l'elio-3 ha due protoni e un neutrone, il trizio ha due neutroni e un protone. Se potessi "rispecchiare" -trasformare l'elio-3 convertendo tutti i protoni in neutroni e neutroni in protoni, il risultato sarebbe trizio. Questo è il motivo per cui sono conosciuti come nuclei specchio.

"Abbiamo utilizzato il più semplice sistema di nuclei specchio che esista, trizio ed elio-3, ed è per questo che questo sistema è così interessante", ha affermato David Meekins, uno scienziato del personale del Jefferson Lab e co-portavoce dell'esperimento MARATHON.

"Si scopre che se misuriamo il rapporto delle sezioni trasversali in questi due nuclei, possiamo accedere alle funzioni strutturali dei protoni rispetto ai neutroni. Queste due quantità possono essere correlate alla distribuzione dei quark up e down all'interno dei nuclei". disse Petratos.

Concepito per la prima volta in un seminario estivo nel 1999, l'esperimento MARATHON è stato finalmente condotto nel 2018 nella Continuous Electron Beam Accelerator Facility di Jefferson Lab, una struttura per utenti DOE. Gli oltre 130 membri della collaborazione sperimentale MARATHON hanno superato molti ostacoli per portare a termine l'esperimento.

Ad esempio, MARATHON ha richiesto gli elettroni ad alta energia resi possibili dal progetto di aggiornamento CEBAF a 12 GeV che è stato completato nel 2017, nonché un sistema target specializzato per il trizio.

"Per questo esperimento individuale, chiaramente la sfida più grande era l'obiettivo. Essendo il trizio un gas radioattivo, dovevamo garantire la sicurezza al di sopra di tutto", ha spiegato Meekins. "Fa parte della missione del laboratorio:non c'è niente di così importante da poter sacrificare la sicurezza."

L'esperimento ha inviato elettroni da 10,59 GeV (miliardi di elettronvolt) in quattro diversi bersagli nella sala sperimentale A. Gli obiettivi includevano elio-3 e tre isotopi dell'idrogeno, incluso il trizio. Gli elettroni in uscita sono stati raccolti e misurati con gli spettrometri ad alta risoluzione sinistro e destro della sala.

Una volta completata la raccolta dei dati, la collaborazione ha lavorato per analizzare attentamente i dati. La pubblicazione finale includeva i dati originali per consentire ad altri gruppi di utilizzare i dati privi di modello nelle proprie analisi. Ha anche offerto un'analisi guidata da Petratos che si basa su un modello teorico con correzioni minime.

"La cosa che volevamo chiarire è che questa è la misurazione che abbiamo effettuato, è così che l'abbiamo fatta, questa è l'estrazione scientifica dalla misurazione ed è così che l'abbiamo fatto", spiega Meekins. "Non dobbiamo preoccuparci di privilegiare un modello rispetto a un altro:chiunque può prendere i dati e applicarli".

Oltre a fornire una determinazione precisa del rapporto tra i rapporti di funzione della struttura protone/neutrone, i dati includono anche misurazioni di momento elettronico di questi nuclei specchio più elevate rispetto a quelle disponibili in precedenza. Questo set di dati di alta qualità apre anche la porta ad ulteriori analisi dettagliate per rispondere ad altre domande di fisica nucleare, come il motivo per cui i quark sono distribuiti in modo diverso all'interno dei nuclei rispetto ai protoni e ai neutroni liberi (un fenomeno chiamato effetto EMC) e altri studi di le strutture delle particelle nei nuclei.

Nel discutere i risultati, i portavoce della MARATHON si sono affrettati ad accreditare il duro lavoro dei membri della collaborazione per i risultati finali.

"Il successo di questo esperimento è dovuto all'eccezionale gruppo di persone che hanno partecipato all'esperimento e anche al supporto che abbiamo avuto da Jefferson Lab", ha affermato Mina Katramatou, professore alla Kent State University e co-portavoce dell'esperimento MARATHON. "Avevamo anche un fantastico gruppo di giovani fisici che lavoravano a questo esperimento, inclusi ricercatori post-dottorato all'inizio della carriera e studenti laureati."

"C'erano cinque studenti laureati che hanno ottenuto la loro ricerca di tesi da questi dati", ha confermato Meekins. "Ed sono buoni dati, abbiamo fatto un buon lavoro ed è stato difficile da fare". + Esplora ulteriormente

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