Una missione decennale rivela i dettagli dell’antimateria interna del protone
Venti anni fa, i fisici decisero di indagare su una misteriosa asimmetria all’interno del protone. I loro risultati, pubblicati oggi, mostrano come l’antimateria aiuta a stabilizzare il nucleo di ogni atomo.
Il post Decades-Long Quest rivela i dettagli di il Proton’s Inner Antimatter è apparso per la prima volta su Quanta Magazine .
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Spesso non viene detto che i protoni, le particelle di materia caricate positivamente al centro degli atomi, sono in parte antimateria.
Impariamo a scuola che un protone è un fascio di tre particelle elementari chiamate quark – due quark "up" e un quark "down", le cui cariche elettriche (+2/3 e −1/3, rispettivamente) si combinano per dare il protone la sua carica di +1. Ma quel quadro semplicistico sorvola su una storia molto più strana e ancora irrisolta.
In realtà, l'interno del protone vortica con un numero fluttuante di sei tipi di quark, le loro controparti di antimateria caricate in modo opposto (antiquark) e le particelle "gluoni" che legano insieme gli altri, si trasformano in essi e si moltiplicano facilmente. In qualche modo, il vortice ribollente finisce perfettamente stabile e superficialmente semplice – imitando, per certi aspetti, un trio di quark. "Come funziona, è francamente una specie di miracolo", ha detto Donald Geesaman , un fisico nucleare presso l'Argonne National Laboratory in Illinois.
Trent'anni fa, i ricercatori hanno scoperto una caratteristica sorprendente di questo "mare di protoni". I teorici si aspettavano che contenesse una diffusione uniforme di diversi tipi di antimateria; invece, gli antiquark bassi sembravano essere significativamente più numerosi degli antiquark. Poi, un decennio dopo, un altro gruppo ha visto accenni di sconcertanti variazioni nel rapporto antiquark dal basso verso l'alto. Ma i risultati erano al limite della sensibilità dell'esperimento.
Così, 20 anni fa, Geesaman e un collega, Paul Reimer , hanno intrapreso un nuovo esperimento per indagare. Quell'esperimento, chiamato SeaQuest, è finalmente terminato ei ricercatori riportano le loro scoperte oggi sulla rivista Nature. Hanno misurato l'antimateria interna del protone in modo più dettagliato che mai, scoprendo che ci sono, in media, 1,4 antiquark down per ogni antiquark up.
I dati favoriscono immediatamente due modelli teorici del mare di protoni. "Questa è la prima vera prova a sostegno di quei modelli che è uscito", ha detto Reimer.
Uno è il modello della "nuvola di pioni", un popolare approccio vecchio di decenni che enfatizza la tendenza del protone a emettere e riassorbire particelle chiamate pioni, che appartengono a un gruppo di particelle note come mesoni. L'altro modello, il cosiddetto modello statistico, tratta il protone come un contenitore pieno di gas.
Esperimenti futuri pianificati aiuteranno i ricercatori a scegliere tra le due immagini. Ma qualunque sia il modello giusto, i dati concreti di SeaQuest sull'antimateria interna del protone saranno immediatamente utili, specialmente per i fisici che distruggono i protoni insieme a velocità quasi della luce nel Large Hadron Collider europeo. Quando sanno esattamente cosa ci sono negli oggetti in collisione, possono attraversare meglio i detriti della collisione alla ricerca di prove di nuove particelle o effetti. Juan Rojo della VU University Amsterdam, che aiuta ad analizzare i dati LHC, ha affermato che la misurazione SeaQuest "potrebbe avere un grande impatto" sulla ricerca di nuova fisica, che attualmente è "limitata dalla nostra conoscenza della struttura del protone, in particolare del suo contenuto di antimateria . "
Three's Company
Per un breve periodo, circa mezzo secolo fa, i fisici pensarono di aver smistato il protone.
Nel 1964, Murray Gell-Mann e George Zweig proposero indipendentemente quello che divenne noto come il modello a quark: l'idea che protoni, neutroni e relative particelle più rare siano fasci di tre quark (come li soprannominò Gell-Mann), mentre i pioni e altri mesoni lo sono composto da un quark e un antiquark. Lo schema dava un senso alla cacofonia delle particelle spruzzate da acceleratori di particelle ad alta energia, poiché il loro spettro di cariche poteva essere costruito da combo in due e tre parti. Poi, intorno al 1970, i ricercatori dell'acceleratore SLAC di Stanford sembrarono confermare trionfalmente il modello a quark quando spararono elettroni ad alta velocità ai protoni e videro gli elettroni rimbalzare sugli oggetti all'interno.
Ma il quadro divenne presto più oscuro. "Quando abbiamo iniziato a provare a misurare sempre di più le proprietà di quei tre quark, abbiamo scoperto che c'erano altre cose in corso", ha detto Chuck Brown, un membro di 80 anni del team SeaQuest del Fermi National Accelerator Laboratory che ha lavorato su esperimenti con i quark dagli anni '70.
L'esame della quantità di moto dei tre quark indicava che le loro masse rappresentavano una frazione minore della massa totale del protone. Inoltre, quando SLAC ha sparato elettroni più veloci ai protoni, i ricercatori hanno visto gli elettroni rimbalzare su più cose all'interno. Più veloci sono gli elettroni, più corte sono le loro lunghezze d'onda, il che li ha resi sensibili alle caratteristiche a grana più fine del protone, come se avessero aumentato la risoluzione di un microscopio. Furono rivelate sempre più particelle interne, apparentemente senza limiti. Non esiste una risoluzione più alta "che conosciamo", ha detto Geesaman.
I risultati hanno cominciato ad avere più senso quando i fisici hanno elaborato la vera teoria che il modello a quark si avvicina solo: cromodinamica quantistica, o QCD. Formulato nel 1973, QCD descrive la "forza forte", la forza più forte della natura, in cui particelle chiamate gluoni collegano fasci di quark.
La QCD predice il vero vortice osservato dagli esperimenti di scattering. Le complicazioni sorgono perché i gluoni sentono la stessa forza che trasportano. (Differiscono in questo modo dai fotoni, che trasportano la forza elettromagnetica più semplice.) Questo comportamento autonomo crea un pantano all'interno del protone, dando libero sfogo ai gluoni per sorgere, proliferare e dividersi in coppie quark-antiquark di breve durata. Da lontano, questi quark e antiquark ravvicinati e caricati in modo opposto si annullano e passano inosservati. (Solo tre quark di "valenza" sbilanciati – due su e uno giù – contribuiscono alla carica complessiva del protone.) Ma i fisici si sono resi conto che quando hanno sparato a elettroni più veloci, stavano colpendo i piccoli bersagli.
Eppure le stranezze continuavano.
I gluoni autogestiti rendono le equazioni QCD generalmente irrisolvibili, quindi i fisici non possono – e ancora non possono – calcolare le previsioni precise della teoria. Ma non avevano motivo di pensare che i gluoni dovessero dividersi più spesso in un tipo di coppia quark-antiquark – il tipo down – rispetto agli altri. "Ci aspetteremmo che vengano prodotte quantità uguali di entrambi", ha detto Mary Alberg , una teorica nucleare dell'Università di Seattle, spiegando il ragionamento all'epoca.
Da qui lo shock quando, nel 1991, la New Muon Collaboration di Ginevra disperse i muoni, i fratelli più pesanti degli elettroni, fuori dai protoni e dai deuteroni (costituiti da un protone e un neutrone), confrontò i risultati e dedusse che più antiquark verso il basso che verso l'alto gli antiquark sembravano sguazzare nel mare dei protoni.
Parti protoniche
I teorici presto uscirono con una serie di possibili modi per spiegare l'asimmetria del protone.
Uno riguarda il pione. Dagli anni '40, i fisici hanno visto protoni e neutroni passare pioni avanti e indietro all'interno di nuclei atomici come compagni di squadra che si lanciano palloni tra loro, un'attività che aiuta a collegarli insieme. Rimuginando sul protone, i ricercatori si sono resi conto che può anche lanciare un pallone da basket a se stesso, ovvero può emettere e riassorbire brevemente un pione caricato positivamente, trasformandosi nel frattempo in un neutrone. "Se stai facendo un esperimento e pensi di guardare un protone, stai prendendo in giro te stesso, perché qualche volta quel protone fluttuerà in questa coppia neutrone-pione", ha detto Alberg.
Nello specifico, il protone si trasforma in un neutrone e un pione composto da un quark up e un antiquark down. Poiché questo pione fantasma ha un antiquark verso il basso (un pione contenente un antiquark verso l'alto non può materializzarsi facilmente), teorici come Alberg, Gerald Miller e Tony Thomas hanno sostenuto che l'idea della nuvola di pioni spiega il surplus di antiquark misurato del protone.
Sono emersi anche molti altri argomenti. Claude Bourrely e collaboratori in Francia hanno sviluppato il modello statistico, che tratta le particelle interne del protone come se fossero molecole di gas in una stanza, sferzando a una distribuzione di velocità che dipende dal fatto che possiedano quantità intere o semintere di momento angolare . Quando è stato sintonizzato per adattarsi ai dati di numerosi esperimenti di scattering, il modello ha individuato un eccesso di antiquark.
I modelli non hanno fatto previsioni identiche. Gran parte della massa totale del protone proviene dall'energia delle singole particelle che irrompono dentro e fuori dal mare del protone e queste particelle trasportano una gamma di energie. I modelli hanno fatto previsioni diverse su come il rapporto tra antiquark down e up dovrebbe cambiare quando si contano gli antiquark che trasportano più energia. I fisici misurano una quantità correlata chiamata frazione di momento dell'antiquark.
Quando l'esperimento "NuSea" al Fermilab ha misurato il rapporto verso l'alto in funzione della quantità di moto antiquark nel 1999, la loro risposta "ha semplicemente illuminato tutti", ha ricordato Alberg. I dati suggerivano che tra gli antiquark con ampio slancio – così tanto, in effetti, da trovarsi proprio all'estremità del raggio di rilevamento dell'apparato – gli antiquark verso l'alto sono diventati improvvisamente più diffusi rispetto ai bassi. "Ogni teorico diceva: 'Aspetta un minuto'", ha detto Alberg. "Perché, quando quegli antiquark ottengono una quota maggiore dello slancio, questa curva dovrebbe iniziare a invertirsi?"
Mentre i teorici si grattavano la testa, Geesaman e Reimer, che lavoravano su NuSea e sapevano che i dati sul limite a volte non sono affidabili, decisero di costruire un esperimento che potesse esplorare comodamente un intervallo di quantità di moto antiquark più ampio. Lo chiamavano SeaQuest.
Junk generato
A lungo con domande sul protone ma a corto di denaro, hanno iniziato a montare l'esperimento con parti usate. "Il nostro motto era: ridurre, riutilizzare, riciclare", ha detto Reimer.
Hanno acquisito alcuni vecchi scintillatori da un laboratorio di Amburgo, rivelatori di particelle rimanenti dal Los Alamos National Laboratory e lastre di ferro che bloccano le radiazioni utilizzate per la prima volta in un ciclotrone alla Columbia University negli anni '50. Potrebbero riutilizzare il magnete delle dimensioni di una stanza di NuSea e potrebbero eseguire il loro nuovo esperimento dall'acceleratore di protoni esistente del Fermilab. L'assemblea di Frankenstein non era priva di fascino. Il segnale acustico che indicava quando i protoni stavano fluendo nel loro apparato risaliva a cinque decenni fa, ha detto Brown, che ha aiutato a trovare tutti i pezzi. "Quando suona, ti dà una sensazione di calore nella pancia."
A poco a poco lo hanno fatto funzionare. Nell'esperimento, i protoni colpiscono due bersagli: una fiala di idrogeno, che è essenzialmente protoni, e una fiala di deuterio – atomi con un protone e un neutrone nel nucleo.
Quando un protone colpisce uno dei bersagli, uno dei suoi quark di valenza a volte si annichilisce con uno degli antiquark nel protone o neutrone bersaglio. "Quando si verifica l'annientamento, ha una firma unica", ha detto Reimer, producendo un muone e un antimuone. Queste particelle, insieme ad altre "cianfrusaglie" prodotte nella collisione, incontrano poi quelle vecchie lastre di ferro. “I muoni possono passare; tutto il resto si ferma ”, ha detto. Rilevando i muoni dall'altra parte e ricostruendo i loro percorsi e velocità originali, "puoi lavorare all'indietro per capire quale frazione di momento trasportano gli antiquark".
Poiché protoni e neutroni si specchiano l'un l'altro – ognuno ha particelle di tipo up al posto delle particelle di tipo down dell'altro e viceversa – il confronto dei dati delle due fiale indica direttamente il rapporto tra antiquark down e antiquark up nel protone – direttamente , cioè dopo 20 anni di lavoro.
Nel 2019, Alberg e Miller hanno calcolato ciò che SeaQuest dovrebbe osservare sulla base dell'idea della nuvola di pioni. La loro previsione corrisponde bene ai nuovi dati SeaQuest.
I nuovi dati – che mostrano un rapporto ascendente e poi stabilizzato, non un'inversione improvvisa – concordano anche con il modello statistico più flessibile di Bourrely e dell'azienda. Eppure Miller definisce questo modello rivale "descrittivo, piuttosto che predittivo", poiché è sintonizzato per adattarsi ai dati piuttosto che per identificare un meccanismo fisico dietro l'eccesso di antiquark. Al contrario, "la cosa di cui sono davvero orgoglioso nel nostro calcolo è che si trattava di una previsione vera", ha detto Alberg. "Non abbiamo composto alcun parametro."
In un'e-mail, Bourrely ha affermato che "il modello statistico è più potente di quello di Alberg e Miller", poiché tiene conto degli esperimenti di scattering in cui le particelle sono polarizzate e non sono polarizzate. Miller non fu d'accordo con veemenza, osservando che le nuvole di pioni spiegano non solo il contenuto di antimateria del protone, ma anche i momenti magnetici, le distribuzioni di carica e i tempi di decadimento delle varie particelle, nonché il "legame, e quindi l'esistenza, di tutti i nuclei". Ha aggiunto che il meccanismo del pione è "importante nel senso ampio del perché esistono i nuclei, perché esistiamo".
Nella ricerca finale per comprendere il protone, il fattore decisivo potrebbe essere il suo spin, o momento angolare intrinseco. Un esperimento di dispersione dei muoni alla fine degli anni '80 ha mostrato che gli spin dei tre quark di valenza del protone rappresentano non più del 30% dello spin totale del protone. La "crisi dello spin del protone" è: cosa contribuisce il restante 70%? Ancora una volta, ha detto Brown, il veterano del Fermilab, "deve succedere qualcos'altro".
Al Fermilab, e alla fine al pianificato Electron-Ion Collider del Brookhaven National Laboratory, gli sperimentatori sonderanno la rotazione del mare di protoni. Alberg e Miller stanno già lavorando sui calcoli della "nube di mesoni" completa che circonda i protoni, che include, insieme ai pioni, i "mesoni rho" più rari. I pioni non possiedono spin, ma i mesoni rho sì, quindi devono contribuire allo spin complessivo del protone in un modo che Alberg e Miller sperano di determinare.
L' esperimento SpinQuest del Fermilab, che coinvolge molte delle stesse persone e parti di SeaQuest, è "quasi pronto per partire", ha detto Brown. “Con un po 'di fortuna prenderemo i dati questa primavera; dipenderà ”- almeno, in parte -“ dall'andamento del vaccino contro il virus. È un po 'divertente che una domanda così profonda e oscura all'interno del nucleo dipenda dalla risposta di questo paese al virus COVID. Siamo tutti interconnessi, no? "
Il post Decades-Long Quest Reveals Details of the Proton's Inner Antimatter è apparso per la prima volta su Quanta Magazine .
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/protons-antimatter-revealed-by-decades-old-experiment-20210224/ in data Wed, 24 Feb 2021 16:00:43 +0000.