Quark e gluoni all’interno di un protone. Due quark up, un quark down e gluoni che li tengono insieme. Crediti: Brookhaven National Laboratory
A metà del secolo scorso, i fisici scoprirono che i protoni possono risuonare. I progressi degli ultimi tre decenni hanno portato a immagini 3D del protone e a informazioni significative sulla sua struttura nel suo stato fondamentale. Ma si sa ancora poco della struttura 3D del protone risonante. Ora, un esperimento condotto presso la Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti per esplorare le strutture 3D delle risonanze di protoni e neutroni, ha aggiunto un ulteriore pezzo al puzzle dell’universo primordiale.
Lo studio delle proprietà fondamentali e dei comportamenti dei nucleoni – protoni e neutroni che costituiscono i nuclei degli atomi – offre spunti critici sugli elementi fondamentali della materia. Ogni nucleone è costituito da tre quark strettamente legati insieme dai gluoni mediante l’interazione forte, la forza più forte in natura.
Lo stato più stabile e a più bassa energia di un nucleone è chiamato stato fondamentale. Ma quando un nucleone viene eccitato in uno stato di energia superiore, i suoi quark ruotano e vibrano l’uno contro l’altro, esibendo quella che è nota come risonanza nucleonica.
Un gruppo di fisici della Justus Liebig Universitat (Jlu) Giessen in Germania e dell’Università del Connecticut, che opera nell’ambito della collaborazione Clas, ha condotto un esperimento presso il Cebaf (Continuous Electron Beam Accelerator Facility) del Jefferson Lab per esplorare queste risonanze nucleoniche. I risultati della ricerca sono stati pubblicati su Physical Review Letters.
Stefan Diehl, responsabile dell’analisi, ha affermato che il lavoro del team fa luce sulle proprietà di base delle risonanze nucleoniche e che sta già ispirando nuove indagini sulla struttura 3D del protone risonante e sul processo di eccitazione. «È la prima volta che abbiamo delle misurazioni, delle osservazioni, che sono sensibili alle caratteristiche 3D di uno stato così eccitato», riferisce Diehl. «In linea di principio, questo è solo l’inizio e questa misurazione sta aprendo un nuovo campo di ricerca».
L’esperimento è stato condotto nel 2018-2019 utilizzando il rilevatore Clas12 del Jefferson Lab. Un fascio di elettroni ad alta energia è stato inviato in una camera piena di gas di idrogeno raffreddato. Gli elettroni hanno colpito i protoni del bersaglio per eccitare i quark al suo interno e produrre la risonanza nucleonica in combinazione con uno stato quark-antiquark, un cosiddetto mesone.
Le eccitazioni sono fugaci, ma lasciano dietro di sé prove della loro esistenza sotto forma di nuove particelle che si formano a partire dall’energia delle particelle eccitate, mentre si disperde. Queste nuove particelle vivono abbastanza a lungo da permettere al rilevatore di rilevarle, e al team di ricostruire la risonanza.
Questo diagramma di Feynman mostra come la diffusione di un elettrone da parte di un protone può essere utilizzata per accedere all’immagine 3D della transizione tra il protone e la risonanza Δ++. Crediti: Stefan Diehl
Diehl ha presentato i risultati questa mattina al workshop Exploring resonance structure with transition GPDs che si sta tenendo in questi giorni a Trento.
Il team prevede di effettuare ulteriori esperimenti presso il Jefferson Lab utilizzando diversi target e polarizzazioni. Diffondendo gli elettroni da protoni polarizzati, infatti, sarà possibile accedere a diverse caratteristiche del processo di diffusione. Inoltre, lo studio di processi simili, come la produzione di una risonanza in combinazione con un fotone energetico, potrà fornire informazioni importanti.
Secondo Diehl, con questi esperimenti i fisici potranno scoprire le proprietà dell’universo primordiale, subito dopo il Big Bang. «All’inizio, nel cosmo primordiale vi era solo plasma costituito da quark e gluoni, tutti in rotazione perché l’energia era molto alta. Poi, a un certo punto, la materia cominciò a formarsi, e le prime cose che si costituirono furono gli stati eccitati dei nucleoni. Quando l’universo si espanse ulteriormente, si raffreddò e si manifestarono i nucleoni dello stato fondamentale. Con questi studi possiamo conoscere le caratteristiche di queste risonanze e questo ci dirà qualcosa su come si è formata la materia nell’universo e perché l’universo esiste nella sua forma attuale», conclude Diehl.
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review Letters l’articolo “First Measurement of Hard Exclusive π−Δ++ Electroproduction Beam-Spin Asymmetries off the Proton” di S. Diehl et al. (Clas Collaboration)