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La distribuzione della massa è una proprietà fondamentale di qualsiasi oggetto fisico. Tuttavia, per il protone, se da un lato si conosce moltissimo della distribuzione della carica al suo interno (e quindi il suo raggio di carica, inteso come il raggio medio della sfera nella quale è distribuita la carica), si sa ben poco del suo raggio di massa.
In astrofisica e cosmologia, lo studio della distribuzione della massa nelle galassie ha portato a ipotizzare la presenza della materia oscura, che si ritiene costituisca circa l’85 per cento della massa totale della materia nell’universo. Analogamente, per il protone gli esperimenti di scattering di elettroni rivelano la distribuzione spaziale dei quark (materia “visibile” ai fotoni), ma non vincolano direttamente la distribuzione spaziale dei gluoni (materia “non visibile” ai fotoni). Una determinazione sperimentale della distribuzione di massa costituirebbe un grande progresso nella comprensione della struttura del protone.
Tale determinazione è stata presentata questa settimana su Physical Review D da un gruppo di ricerca dell’Institute of Modern Physics (Imp) dell’Accademia cinese delle scienze (Cas), che ha stimato il raggio di massa del protone in 0.67 ± 0.03 femtometri – un femtometro equivale a un milionesimo di miliardesimo di metro, ovvero 10-15 metri – un valore ovviamente più piccolo del raggio di carica del protone.
Nel Modello standard, il protone è una particella composta da quark e gluoni e ha una dimensione diversa da zero. Il raggio del protone è una proprietà globale e fondamentale della particella, correlata al raggio di confinamento del colore, una proprietà regolata dalla cromodinamica quantistica (Qcd). Il raggio del protone è circa 100mila volte più piccolo di quello dell’atomo e le dimensioni dei quark e dei gluoni sono di diversi ordini di grandezza inferiori al raggio del protone. Per descrivere la forma del protone, gli scienziati usano varie distribuzioni, come la distribuzione della carica e la distribuzione della massa.
Processo di fotoproduzione del mesone vettore sul protone bersaglio. Crediti: Kou Wei
Il raggio di carica del protone è stato misurato con precisione tramite lo spostamento di Lamb dell’idrogeno muonico (un atomo esotico nel quale al posto dell’elettrone c’è un muone negativo) o grazie allo scattering elastico elettrone-protone ad alta energia. Il suo valore medio – fornito dal Particle Data Group – è risultato essere di 0.8409 ± 0.0004 femtometri. Tuttavia, la conoscenza delle proprietà gravitazionali del protone, come il suo raggio di massa, è ancora molto limitata. «Secondo recenti studi teorici di Dmitri Kharzeev, il raggio di massa del protone è correlato al fattore di forma gravitazionale scalare del protone», riferisce Wang Rong, primo autore dell’articolo. Analizzando i dati dell’esperimento Saphir (Spectrometer Arrangement for PHoton Induced Reactions) presso l’Università di Bonn, dell’esperimento Leps (Laser Electron Photons) presso la struttura SPring-8 e dell’esperimento GlueX presso il Jefferson Lab, i ricercatori hanno determinato il fattore di forma gravitazionale scalare e il raggio di massa del protone.
Nel contempo, Dmitri Kharzeev, un fisico teorico alla Stony Brook University, ha ottenuto un risultato simile utilizzando i dati GlueX. Il raggio di massa del protone da lui stimato è di 0.55 ± 0.03 femtometri. «Entrambi i risultati potrebbero essere i primi valori in assoluto del raggio di massa del protone con prove sperimentali», afferma Wang. «La determinazione del raggio di massa del protone migliorerà la nostra comprensione delle origini della massa protonica e del meccanismo di confinamento del colore dell’interazione forte».
Rimangono ancora molte domande: «Il raggio di massa più piccolo implica che la distribuzione della massa è significativamente diversa dalla distribuzione della carica del protone», spiega Chen Xurong, ricercatore dell’Imp. Gli scienziati stanno ora cercando di ottenere un’immagine più chiara del raggio di massa del protone e della sua struttura. L’esperimento GlueX al Jefferson Lab fornirà ulteriori dati nel prossimo futuro. Inoltre, i futuri collisori elettroni-ioni presenti sia negli Stati Uniti che in Cina, forniranno dati sulla produzione del mesone vettore upsilon, per comprendere meglio queste domande.
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review D l’articolo “Extraction of the proton mass radius from the vector meson photoproductions near thresholds” di Rong Wang, Wei Kou, Ya-Ping Xie e Xurong Chen