Gli scienziati hanno trovato un nuovo modo di "vedere" all'interno dei nuclei atomici più semplici per comprendere meglio la "colla" che tiene insieme i mattoni della materia. I risultati, appena pubblicati in Lettere di revisione fisica , provengono da collisioni di fotoni (particelle di luce) con deuteroni, i nuclei atomici più semplici (costituiti da un solo protone legato a un neutrone).

Le collisioni hanno avuto luogo presso il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), una struttura utente dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) per la ricerca di fisica nucleare presso il Brookhaven National Laboratory del DOE. Scienziati di tutto il mondo analizzano i dati degli smashup subatomici di RHIC per ottenere informazioni dettagliate sulle particelle e sulle forze che costituiscono la materia visibile del nostro mondo.

In queste particolari collisioni, i fotoni hanno agito in qualche modo come un raggio di raggi X per fornire il primo assaggio di come le particelle chiamate gluoni sono disposte all'interno del deuterone.

"Il gluone è molto misterioso", ha detto il fisico del Brookhaven Lab Zhoudunming Tu, che ha guidato questo progetto per la STAR Collaboration di RHIC. I gluoni, in quanto "portatori" della forza forte*, sono la colla che lega i quark, gli elementi costitutivi interni di protoni e neutroni. Inoltre tengono insieme protoni e neutroni per formare nuclei atomici. "Vogliamo studiare la distribuzione dei gluoni perché è una delle chiavi che lega insieme i quark. Questa misura della distribuzione dei gluoni in un deuterone non è mai stata eseguita prima."

Inoltre, poiché le collisioni fotone-deuterone a volte rompono i deuteroni, le collisioni possono aiutare gli scienziati a comprendere questo processo.

"Misurare la rottura del deuterone ci dice molto sui meccanismi di base che tengono insieme queste particelle nei nuclei in generale", ha detto Tu.

La comprensione dei gluoni e del loro ruolo nella materia nucleare sarà al centro della ricerca presso l'Electron-Ion Collider (EIC), una futura struttura di ricerca di fisica nucleare in fase di pianificazione presso il Brookhaven Lab. All'EIC, i fisici utilizzeranno i fotoni generati dagli elettroni per sondare le distribuzioni di gluoni all'interno di protoni e nuclei, nonché la forza che tiene insieme i nuclei. Ma Tu, che ha sviluppato piani di ricerca presso l'EIC, si è reso conto che avrebbe potuto ottenere alcuni indizi osservando i dati esistenti dagli esperimenti di RHIC del 2016 sui deuteroni.

"La motivazione per studiare il deuterone è perché è semplice, ma ha ancora tutto ciò che ha un nucleo complesso", ha spiegato Tu. "Vogliamo studiare il caso più semplice di un nucleo per comprendere queste dinamiche, incluso il modo in cui cambiano mentre ci si sposta da un semplice protone ai nuclei più complessi che studieremo all'EIC."

Così, ha iniziato a vagliare i dati raccolti da STAR su centinaia di milioni di collisioni nel 2016.

"I dati c'erano. Nessuno aveva esaminato la distribuzione dei gluoni del deuterone fino a quando non ho iniziato quando ero Goldhaber Fellow nel 2018. Mi ero appena unito a Brookhaven e ho trovato questo collegamento con l'EIC."

Brilla la luce

RHIC può accelerare un'ampia gamma di ioni:nuclei atomici privati ​​dei loro elettroni. Può persino inviare fasci di due diversi tipi di particelle che accelerano in direzioni opposte attraverso gli anelli gemelli della sua pista circolare di 2,4 miglia quasi alla velocità della luce. Ma non può accelerare direttamente i fotoni.

Ma grazie alla fisica, recentemente trattata qui, le particelle in rapido movimento con molta carica positiva emettono la propria luce. Quindi, nel 2016, quando RHIC stava scontrando deuteroni con ioni d'oro altamente carichi, quegli ioni d'oro in velocità erano circondati da nuvole di fotoni. Identificando le "collisioni ultraperiferiche", in cui il deuterone si limita a guardare una nuvola di fotoni di ioni d'oro, Tu si è reso conto di poter studiare i fotoni che interagiscono con i deuteroni per dare un'occhiata all'interno.

Il segno rivelatore di queste interazioni è la produzione di una particella chiamata J/psi, innescata dal fotone che interagisce con i gluoni all'interno del deuterone.

"Ho trovato 350 J/psi. Ci sono solo 350 eventi delle centinaia di milioni di collisioni registrate dall'esperimento STAR. In realtà è un evento molto raro", ha detto Tu.

Sebbene il J/psi decada rapidamente, il rivelatore STAR può tracciare i prodotti di decadimento per misurare la quantità di moto trasferita dall'interazione. Misurare la distribuzione del trasferimento di quantità di moto in tutte le collisioni consente agli scienziati di dedurre la distribuzione dei gluoni.

"C'è una connessione uno a uno tra il trasferimento di quantità di moto (il 'calcio' dato al J/psi) e il punto in cui il gluone si trova nel deuterone", ha spiegato Tu. "In media, i gluoni all'interno del nucleo stesso del deuterone danno un calcio di slancio molto grande. I gluoni alla periferia danno un calcio più piccolo. Quindi, guardando la distribuzione complessiva della quantità di moto può essere utilizzata per mappare la distribuzione dei gluoni nel deuterone".

"I risultati del nostro studio hanno colmato una lacuna nella nostra comprensione della dinamica dei gluoni tra un protone libero e un nucleo pesante", ha affermato Shuai Yang, un collaboratore di STAR della South China Normal University. Yang è stato un fisico leader nell'uso della luce emessa da ioni in rapido movimento per studiare le proprietà della materia nucleare nelle collisioni nucleo-nucleo ultraperiferiche a RHIC e al Large Hadron Collider (LHC) in Europa. "Questo lavoro crea un ponte che collega la fisica delle particelle e la fisica nucleare", ha affermato.

Un altro importante collaboratore, William Schmidke di Brookhaven Lab, ha dichiarato:"In effetti stiamo studiando questo processo da molti anni. Ma questo è il primo risultato che ci dice la dinamica del gluone per entrambi i singoli nucleoni (il termine collettivo per protoni e neutroni) e il nucleo nello stesso sistema."

Studiare la rottura del deuterone

Oltre a generare una particella J/psi, ogni interazione fotone-gluone dà anche un calcio di slancio che devia il deuterone o spezza quel semplice nucleo in un protone e un neutrone. Lo studio del processo di rottura fornisce informazioni sulla forza generata dal gluone che tiene insieme i nuclei.

In caso di rottura, il protone caricato positivamente si allontana nel campo magnetico dell'acceleratore RHIC. Ma il neutrone neutro continua a muoversi dritto. Per catturare questi "neutroni spettatori", STAR dispone di un rilevatore posizionato a 18 metri di distanza dal suo centro proprio lungo la linea del raggio a un'estremità.

"Questo processo è molto semplice", ha osservato Tu. "Solo un J/psi viene prodotto al centro di STAR. Le uniche altre particelle che possono essere create sono da questa rottura del deuterone. Quindi, ogni volta che ottieni un neutrone, sai che questo proviene dalla rottura del deuterone. Il rivelatore STAR può misurare inequivocabilmente questo processo ad alta energia."

Misurare il modo in cui il processo di rottura è associato a una particella J/psi prodotta tramite l'interazione dei gluoni può aiutare gli scienziati a comprendere il ruolo dei gluoni nell'interazione tra protoni e neutroni. Tale conoscenza potrebbe essere diversa da ciò che gli scienziati capiscono su quelle interazioni a bassa energia.

"Ad alta energia, il fotone 'vede' quasi nient'altro che gluoni all'interno del deuterone", ha detto Tu. "Dopo che i gluoni 'calciano' la particella J/psi, il modo in cui questo 'calcio' porta a una rottura è molto probabilmente correlato alla dinamica del gluone tra il protone e il neutrone. Il vantaggio di questa misurazione è che possiamo identificare sperimentalmente il gluone- canale dominato e la disgregazione nucleare allo stesso tempo."

Inoltre, Tu osserva che la misurazione dei neutroni prodotti dalla disgregazione nucleare, generalmente nota come "etichettatura degli spettatori", è una tecnica ampia e utile e sarà sicuramente utilizzata nel futuro EIC.

Ma all'EIC "la strumentazione sarà molto migliore e avrà più copertura", ha spiegato. "Saremo in grado di migliorare ulteriormente la precisione delle misurazioni della distribuzione spaziale dei gluoni dai nuclei leggeri ai nuclei pesanti. E i sistemi di rilevamento EIC cattureranno quasi tutto ciò che riguarda la rottura del nucleo, quindi possiamo studiare in modo ancora più dettagliato come i nucleoni interagiscono tra loro ."

Altri contributori chiave che hanno collaborato per eseguire le complicate analisi dei dati per questo studio includono i fisici del Brookhaven Lab Jaroslav Adam, Zilong Chang e Thomas Ullrich.

* La forza forte è la più forte delle quattro forze fondamentali in natura (forte, debole, elettromagnetica e gravitazionale). E a differenza di qualsiasi altra forza, la forza di interazione aumenta con l'aumentare della distanza. La forza di legame tra due quark a una distanza superiore a 10 ^-15 metri (non più lontano di un milionesimo di miliardesimo di metro) è più di 10 tonnellate. + Esplora ulteriormente

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