Il potere della gravità è ampiamente presente nel nostro universo visibile. Può essere visto nel passo di blocco delle lune mentre girano attorno ai pianeti; nelle comete erranti portate fuori rotta da stelle massicce; e nel vortice di gigantesche galassie. Questi fantastici spettacoli mostrano l'influenza della gravità su scala più ampia della materia. Ora i fisici nucleari stanno scoprendo che la gravità ha molto da offrire anche alle scale più piccole della materia.
Una nuova ricerca condotta dai fisici nucleari presso la Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti sta utilizzando un metodo che collega le teorie della gravitazione alle interazioni tra le più piccole particelle di materia per rivelare nuovi dettagli su questa scala più piccola. La ricerca ha ora rivelato, per la prima volta, un'istantanea della distribuzione della forza forte all'interno del protone. Questa istantanea descrive in dettaglio lo stress di taglio che la forza può esercitare sulle particelle di quark che compongono il protone. Il risultato è stato recentemente pubblicato in Reviews of Modern Physics .
Secondo l'autore principale dello studio, Volker Burkert, scienziato principale del Jefferson Lab, la misurazione rivela informazioni sull'ambiente vissuto dagli elementi costitutivi del protone. I protoni sono costituiti da tre quark legati insieme dalla forza forte.
"Al suo apice, questa è più della forza di quattro tonnellate che si dovrebbe applicare a un quark per estrarlo dal protone", ha spiegato Burkert. "La natura, ovviamente, non ci permette di separare un solo quark dal protone a causa di una proprietà dei quark chiamata 'colore'. Esistono tre colori che mescolano i quark nel protone per farlo apparire incolore dall'esterno, un requisito per la sua esistenza nello spazio.
"Cercare di estrarre un quark colorato dal protone produrrà una coppia quark/antiquark incolore, un mesone, utilizzando l'energia immessa per tentare di separare il quark, lasciandosi dietro un protone (o neutrone) incolore. Quindi, le 4 tonnellate sono un'illustrazione dell'intensità della forza intrinseca nel protone."
Il risultato è solo la seconda delle proprietà meccaniche del protone da misurare. Le proprietà meccaniche del protone includono la sua pressione interna, la sua distribuzione di massa (dimensione fisica), il suo momento angolare e il suo sforzo di taglio. Il risultato è stato reso possibile da una previsione vecchia di mezzo secolo e da dati vecchi di due decenni.
A metà degli anni '60 si teorizzò che se i fisici nucleari fossero riusciti a vedere come la gravità interagisce con le particelle subatomiche, come il protone, tali esperimenti avrebbero potuto rivelare direttamente le proprietà meccaniche del protone.
"Ma a quel tempo non c'era modo. Se confrontiamo la gravità con la forza elettromagnetica, per esempio, ci sono 39 ordini di grandezza di differenza:quindi è completamente senza speranza, giusto?" ha spiegato Latifa Elouadhriri, scienziata dello staff del Jefferson Lab e coautrice dello studio.
I dati vecchi di decenni provenivano da esperimenti condotti con il CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility) del Jefferson Lab, una struttura utilizzata dal DOE Office of Science. Un tipico esperimento CEBAF implicherebbe che un elettrone energetico interagisca con un’altra particella scambiando con la particella un pacchetto di energia e un’unità di momento angolare chiamata fotone virtuale. L'energia dell'elettrone determina con quali particelle interagisce in questo modo e come rispondono.
Nell'esperimento, una forza addirittura molto maggiore delle quattro tonnellate necessarie per estrarre una coppia quark/antiquark è stata applicata al protone dal fascio di elettroni altamente energetico che interagiva con il protone in un bersaglio di idrogeno liquefatto.
"Abbiamo sviluppato il programma per studiare lo scattering Compton profondamente virtuale. Questo è dove hai un elettrone che scambia un fotone virtuale con il protone. E nello stato finale, il protone è rimasto lo stesso ma si è ritirato, e hai un vero fotone molto altamente energetico prodotto, più l’elettrone disperso," ha detto Elouadhriri. "Al momento in cui abbiamo raccolto i dati, non eravamo consapevoli che oltre all'immagine tridimensionale che intendevamo con questi dati, stavamo anche raccogliendo i dati necessari per accedere alle proprietà meccaniche del protone."
Si scopre che questo processo specifico, lo scattering Compton profondamente virtuale (DVCS), potrebbe essere collegato al modo in cui la gravità interagisce con la materia. La versione generale di questa connessione è stata affermata nel libro di testo del 1973 sulla teoria generale della relatività di Einstein intitolato "Gravitazione" di Charles W. Misner, Kip S. Thorne e John Archibald Wheeler.
In esso, scrissero:"Qualsiasi campo senza massa con spin 2 darebbe origine a una forza indistinguibile dalla gravitazione, perché un campo senza massa con spin 2 si accoppierebbe al tensore stress-energia nello stesso modo in cui lo fanno le interazioni gravitazionali". ."
Tre decenni dopo, il teorico Maxim Polyakov ha dato seguito a questa idea stabilendo le basi teoriche che collegano il processo DVCS e l'interazione gravitazionale.
"Questa svolta teorica ha stabilito la relazione tra la misurazione dello scattering Compton profondamente virtuale e il fattore di forma gravitazionale. E siamo stati in grado di usarlo per la prima volta ed estrarre la pressione che abbiamo fatto nella Natura documento nel 2018, e ora la forza normale e la forza di taglio", ha spiegato Burkert.
Una descrizione più dettagliata delle connessioni tra il processo DVCS e l'interazione gravitazionale può essere trovata in questo articolo che descrive il primo risultato ottenuto da questa ricerca.
I ricercatori affermano che il loro prossimo passo sarà lavorare per estrarre le informazioni di cui hanno bisogno dai dati DVCS esistenti per consentire la prima determinazione della dimensione meccanica del protone. Sperano anche di trarre vantaggio da esperimenti più recenti, con statistiche più elevate e con energia più elevata che stanno continuando la ricerca DVCS sul protone.
Nel frattempo, i coautori dello studio sono rimasti stupiti dalla pletora di nuovi sforzi teorici, dettagliati in centinaia di pubblicazioni teoriche, che hanno iniziato a sfruttare questa strada appena scoperta per esplorare le proprietà meccaniche del protone.
"E inoltre, ora che ci troviamo in questa nuova era di scoperte con il Piano a lungo raggio per le scienze nucleari 2023 pubblicato di recente. Questo sarà un pilastro importante nella direzione della scienza con nuove strutture e nuovi sviluppi di rilevatori. Non vediamo l'ora per vedere meglio cosa si può fare", ha detto Burkert.
Elouadhriri è d'accordo.
"E dal mio punto di vista, questo è solo l'inizio di qualcosa di molto più grande che verrà. Ha già cambiato il modo in cui pensiamo alla struttura del protone", ha detto.
"Ora possiamo esprimere la struttura delle particelle subnucleari in termini di forze, pressione e dimensioni fisiche con cui anche i non fisici possono identificarsi", ha aggiunto Burkert.
Ulteriori informazioni: VD Burkert et al, Colloquio:Fattori di forma gravitazionale del protone, Reviews of Modern Physics (2023). DOI:10.1103/RevModPhys.95.041002
Informazioni sul giornale: Rassegnazioni di fisica moderna , Natura
Fornito da Thomas Jefferson National Accelerator Facility
