Il lavoro è stato condotto da Joseph Karpie, un associato post-dottorato presso il Center for Theoretical and Computational Physics (Theory Center) presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Ha detto che questo mistero vecchio di decenni è iniziato con le misurazioni delle fonti dello spin del protone nel 1987. Inizialmente i fisici pensavano che gli elementi costitutivi del protone, i suoi quark, sarebbero stati la principale fonte dello spin del protone. Ma non è quello che hanno scoperto. Si è scoperto che i quark del protone forniscono solo circa il 30% dello spin totale misurato del protone. Il resto proviene da altre due fonti che finora si sono rivelate più difficili da misurare.

Una è la forza misteriosa ma potente. La forza forte è una delle quattro forze fondamentali dell'universo. È ciò che "incolla" insieme i quark per formare altre particelle subatomiche, come protoni o neutroni. Le manifestazioni di questa forza forte sono chiamate gluoni, che si ritiene contribuiscano alla rotazione del protone. Si ritiene che l'ultima parte dello spin provenga dai movimenti dei quark e dei gluoni del protone.

"Questo articolo è una sorta di riunione di due gruppi del Theory Center che hanno lavorato per cercare di comprendere la stessa parte della fisica, ovvero in che modo i gluoni che si trovano al suo interno contribuiscono a quanto il protone gira intorno a lui." ," ha detto.

Ha detto che questo studio è stato ispirato da un risultato sconcertante che è venuto dalle misurazioni sperimentali iniziali dello spin dei gluoni. Le misurazioni sono state effettuate presso il Relativistic Heavy Ion Collider, una struttura utilizzata dal DOE Office of Science con sede presso il Brookhaven National Laboratory di New York. Inizialmente i dati sembravano indicare che i gluoni potrebbero contribuire alla rotazione del protone. Hanno mostrato un risultato positivo.

Ma man mano che l'analisi dei dati veniva migliorata, si è presentata un'ulteriore possibilità.

"Quando hanno migliorato la loro analisi, hanno iniziato a ottenere due serie di risultati che sembravano abbastanza diversi, uno era positivo e l'altro negativo", ha spiegato Karpie.

Mentre il precedente risultato positivo indicava che gli spin dei gluoni sono allineati con quello del protone, l'analisi migliorata ha consentito la possibilità che gli spin dei gluoni abbiano un contributo complessivamente negativo. In tal caso, una parte maggiore dello spin del protone deriverebbe dal movimento dei quark e dei gluoni, o dallo spin dei quark stessi.

Questo risultato sconcertante è stato pubblicato dalla collaborazione Jefferson Lab Angular Momentum (JAM).

Nel frattempo, la collaborazione HadStruc ha affrontato le stesse misurazioni in modo diverso. Stavano usando i supercomputer per calcolare la teoria di base che descrive le interazioni tra quark e gluoni nel protone, la cromodinamica quantistica (QCD).

Per equipaggiare i supercomputer per effettuare questo intenso calcolo, i teorici semplificano in qualche modo alcuni aspetti della teoria. Questa versione un po' semplificata per i computer è chiamata QCD reticolare.

Karpie ha guidato il lavoro per riunire i dati di entrambi i gruppi. Ha iniziato con i dati combinati provenienti da esperimenti condotti in strutture di tutto il mondo. Ha poi aggiunto i risultati del calcolo della QCD reticolare alla sua analisi.

"Si tratta di mettere insieme tutto ciò che sappiamo sullo spin dei quark e dei gluoni e su come i gluoni contribuiscono allo spin del protone in una dimensione", ha affermato David Richards, uno scienziato senior del Jefferson Lab che ha lavorato allo studio.

"Quando lo abbiamo fatto, abbiamo visto che gli aspetti negativi non erano scomparsi, ma erano cambiati radicalmente. Ciò significava che c'era qualcosa di divertente in essi", ha detto Karpie.

Karpie è l'autore principale dello studio recentemente pubblicato su Physical Review D . Ha affermato che il punto principale è che la combinazione dei dati di entrambi gli approcci ha fornito un risultato più informato.

"Stiamo combinando insieme entrambi i nostri set di dati e ottenendo un risultato migliore di quello che ognuno di noi potrebbe ottenere indipendentemente. Dimostra davvero che impariamo molto di più combinando la QCD reticolare e sperimentando insieme in un'unica analisi del problema", ha affermato Karpie. "Questo è il primo passo e speriamo di continuare a farlo con un numero sempre maggiore di dati osservabili e con la creazione di più dati reticolari."

Il prossimo passo è migliorare ulteriormente i set di dati. Man mano che esperimenti più potenti forniscono informazioni più dettagliate sul protone, questi dati iniziano a dipingere un quadro che va oltre una dimensione. E man mano che i teorici imparano a migliorare i loro calcoli su supercomputer sempre più potenti, anche le loro soluzioni diventano più precise e inclusive.

L'obiettivo è infine produrre una comprensione tridimensionale della struttura del protone.

"Quindi, apprendiamo che i nostri strumenti funzionano nel più semplice scenario unidimensionale. Testando ora i nostri metodi, speriamo di sapere cosa dobbiamo fare quando vogliamo passare alla struttura 3D", ha affermato Richards. "Questo lavoro contribuirà a creare questa immagine 3D di come dovrebbe apparire un protone. Quindi si tratta di arrivare al nocciolo del problema facendo queste cose più semplici adesso."