Il protone è una particella quotidiana con un misterioso mondo interiore

Il protone è una delle particelle più comuni nell’universo. Sono i mattoni di base degli atomi. Puoi trovarlo nell’aria che respiri, nel caffè che bevi, e dentro stelle e pianeti.

Sebbene i fisici sappiano da più di un secolo che questa particella esiste, faticano ancora a controllarla. “Il protone sembra semplice dall’esterno, ma quando scavi più a fondo, trovi cose interessanti e inaspettate”, afferma Juan Rogo, professore di fisica teorica alla VU University Amsterdam. “Stiamo ancora imparando cose nuove su di lei.”

Gli atomi, di cui è costituito quasi tutto dentro e intorno a noi, sono costituiti da un nucleo di protoni e neutroni attorno al quale orbitano elettroni carichi negativamente. I neutroni sono privi di carica e i protoni sono caricati positivamente. Gli insegnanti delle scuole superiori presentano il protone come una sfera non scheletrica. Una volta che inizi a studiare fisica, impari che quella palla è composta da tre blocchi più piccoli chiamati quark.

Piccoli cambiamenti nelle proprietà di un protone potrebbero portare a un universo completamente diverso

Juan Rojo Sig

“Quello che diciamo agli studenti di fisica del primo anno è ancora una semplificazione eccessiva”, ha detto Amanda Cooper-Sarkar, professore emerito di fisica delle particelle all’Università di Oxford. Un protone è un oggetto quantistico che assomiglia molto a una nuvola nebbiosa di particelle volanti e ronzanti. L’esatto aspetto della composizione dipende dall’ambientazione in cui la guardi.

Migliori sono i fisici che studiano il protone, più cose nuove e incomprensibili scoprono su di esso. All’interno di questa particella quotidiana sembra annidarsi un mondo complesso e bizzarro. Ad esempio, Rogo e i suoi colleghi hanno scoperto nel 2022 che molto probabilmente potrebbe apparire una particella più pesante del protone stesso.

uno strumento

“Vogliamo capire i protoni perché quasi tutto è fatto di loro”, dice Rogo. Piccoli cambiamenti nelle proprietà del protone avrebbero potuto portare a un universo completamente diverso. Ad esempio, se è un po’ più leggero o un po’ più pesante, allora alcuni atomi non possono esistere.

I fisici hanno un altro motivo per la mappatura dei protoni. All’acceleratore di particelle LHC del CERN di Ginevra, i fisici fanno scontrare i protoni quasi alla velocità della luce per creare e studiare nuove particelle per comprendere le leggi della fisica sulla scala più piccola. LHC sta per Large Hadron Collider. Nel 2012, ad esempio, i fisici hanno scoperto il bosone di Higgs al Large Hadron Collider. “Se non sai come si comportano gli elementi costitutivi di quei protoni in collisione, non puoi confrontare correttamente i modelli teorici con i risultati delle tue misurazioni”, afferma Rogo. Pertanto una migliore comprensione dei protoni è importante per la ricerca fisica.

“Il metodo più comune per sondare un protone è sparargli contro altre particelle”, afferma Cooper Sarkar. È così che il protone fu scoperto nel 1919 da Ernest Rutherford, che aveva precedentemente scoperto il nucleo atomico. Rutherford e il suo assistente Ernest Marsden hanno lanciato, tra le altre cose, le cosiddette particelle alfa (nuclei di elio) su atomi di azoto. Si scopre che le particelle alfa espellono particelle caricate positivamente da questi atomi. Rutherford si rese conto che questi sono protoni e che i nuclei atomici sono costituiti da protoni e neutroni.

Palle da biliardo e palle da bowling

Pochi decenni dopo, negli anni ’60 e ’70, i fisici delle particelle ricominciarono a giocare a pallone. Questa volta hanno fatto scontrare elettroni molto più piccoli con protoni. All’inizio ne è venuto fuori poco: rimbalzavano come una palla da biliardo su una palla da bowling. Ciò è cambiato quando l’acceleratore di particelle americano SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) ha notevolmente accelerato gli elettroni, facendoli scontrare con i protoni con così tanta energia che si sono frantumati. Di conseguenza, gli elettroni sono stati riflessi dai loro elementi costitutivi di base: i quark.

Queste misurazioni SLAC alla fine degli anni ’60 hanno indicato che il protone è composto da molte piccole particelle. La domanda era se queste fossero le stesse particelle che i fisici Murray Gell-Mann e Georg Zweig avevano proposto qualche anno prima. Secondo la loro teoria, un protone consiste di due tipi di quark: due quark up, ognuno dei quali ha una carica elettrica +2/3, e un quark down con una carica di -1/3. Queste cariche si sommano ordinatamente alla carica +1 del protone.

Negli anni ’70 e ’80, le misurazioni al CERN – giocando con particelle di neutrino ultraleggere e prive di carica – hanno mostrato che un protone è pieno di coppie di quark e delle loro controparti di antimateria, gli antiquark. Le proprietà degli antiquark sono completamente opposte alle proprietà dei quark, quindi si annullano a vicenda. Ad esempio, l’antiquark ha una carica di -2/3. Se tutti i quark si annullano contro gli antiquark, ti ​​ritroverai con i tre quark previsti da Gell-Mann e Zweig: due sopra e uno sotto.

Un mare di quark e antiquark

Il modello a quark di Gell-Mann e Zweig non spiega perché i protoni contengano un mare di coppie quark-antiquark oltre a queste tre. Seguirono altri esperimenti con il marmo, con particelle diverse e diverse energie. Maggiore è l’energia delle “palle”, più dettagliata è l’immagine del protone.

Oltre al quadro più chiaro, gli esperimenti hanno sollevato anche nuove domande. Ad esempio, un protone sembrava diverso in diverse misurazioni. Questo perché la quantità di moto del protone – una combinazione della sua velocità e massa – sembra essere distribuita in modo diverso tra quark e antiquark in diversi esperimenti. A volte due quark up e un quark down trasportano ciascuno circa un terzo della quantità di moto del protone. Il protone sembra consistere quasi esclusivamente di questi tre quark. Ma in altri esperimenti, sembra che questi tre quark e tutti i quark e gli antiquark del mare di quark abbiano solo una frazione della quantità di moto di un protone. Il protone appare quindi come un insieme di una miriade di quark e antiquark.

Particelle di forza simili a colla

Finora c’era una teoria pronta a spiegare le pazzesche misurazioni dei protoni: la cromodinamica quantistica. Secondo questa teoria, particelle di forza simili a colla chiamate gluoni legano insieme due quark up e down in un protone. Secondo la nuova teoria, questi gluoni possono temporaneamente dividersi in un quark e un antiquark. Poiché sono la controparte perfetta l’una dell’altra, si annullano a vicenda e scompaiono ancora una volta. Questo crea un mare di quark e antiquark che esplodono brevemente.

Sebbene spieghi le coppie quark-antiquark, la cromodinamica quantistica è una teoria molto complessa e i fisici non possono calcolare tutte le proprietà dei quark e dei gluoni in un protone con gli attuali metodi computazionali. Ad esempio, possono ben descrivere una situazione in cui i quark e gli antiquark portano una piccola parte della quantità di moto e sono vicini tra loro, ma i calcoli inciampano nella situazione in cui i quark up e down sembrano essere relativamente distanti e i tre di loro si prendono cura di quasi l’intero scoppio. I fisici fanno affidamento su esperimenti in situazioni che non possono spiegare.

I prossimi decenni saranno un momento entusiasmante per la ricerca sui protoni

Juan Rojo Sig

Ma che aspetto ha veramente un protone? Come tre quark? O come un mare di quark e antiquark? “Il protone è un oggetto quantistico”, dice Rogo. “Ciò significa che l’aspetto che hanno dipende dalla misura che prendi.”

Un protone è conforme alle leggi della meccanica quantistica, che affermano che una particella può trovarsi in più posti contemporaneamente, per esempio. O in casi diversi allo stesso tempo, come il gatto di Schrödinger morto e vivo allo stesso tempo finché non guardi. Puoi vedere il protone come una specie di nuvola quantistica sfocata che ha diverse forme contemporaneamente. A seconda, diciamo, dell’energia degli elettroni e del modo in cui guardi le particelle riflesse, è più o meno probabile che tu veda una particolare combinazione.

Questo comportamento quantistico può sembrare folle e impossibile, ma non lo è. È ben descritto dalla meccanica quantistica. Rogo: “Sembra strano perché non abbiamo sviluppato un’intuizione per il Regno Quantico.”

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Il gruppo di ricerca di Juan Rojo viene scoperto nel 2022, con colleghi internazionali, Strange Quantum Behavior in the Proton. Analizzando migliaia di misurazioni di protoni utilizzando l’intelligenza artificiale, hanno rilevato un segnale che negli esperimenti un protone di solito si comporta come tre quark e talvolta appare come un composto di cinque quark. Questi due quark “extra” sono un quark charm e un quark anti-magia, e sono i fratelli pesanti di up, down e antiquark. Questi non sono quark del mare di quark. Si trovano proprio come due upquark e un downquark.

Fantastico, perché un quark charm è più pesante di un protone. È come se aprissi una scatola con un chilogrammo di mele e all’improvviso trovassi due meloni che pesano più di un chilogrammo. Questo fenomeno inimmaginabile è permesso anche secondo la meccanica quantistica. “Nel regno quantico, un protone può contenere particelle più pesanti di se stesso, a condizione che ciò richieda un tempo molto breve.” Quindi un protone di solito consiste di due quark up e un conquark down, ma a volte può trasformarsi brevemente in un sistema di pentaquark di fascino.

I prossimi decenni saranno un momento entusiasmante per la ricerca sui protoni

Juan Rojo Sig

“C’è ancora polemica intorno a questa idea”, dice Cooper Sarkar. “Ci sono fisici che pensano che le analisi siano ancora molto incerte e mettono in dubbio le prove. Penso che tra qualche anno sapremo chi ha ragione, quindi avremo più dati e una migliore comprensione della composizione del protone”.

Uno degli esperimenti che potrebbe contribuire a questo è l’acceleratore di particelle (electron ion collider) in costruzione presso il Brookhaven National Laboratory dell’American Research Institute. L’EIC, che potrebbe iniziare a misurare già nel 2030, consentirebbe agli elettroni accelerati di entrare in collisione con protoni accelerati o nuclei atomici più pesanti.

Oltre alla formazione dei protoni, l’EIC esaminerà quark e gluoni nei protoni nei nuclei atomici pesanti, dove sono circondati da altri protoni e neutroni. Lì sembrano comportarsi diversamente dai protoni liberi, ma non è ancora chiaro perché. Un altro compito importante dell’EIC è scoprire come nasce la proprietà di spin del protone. Come la carica, lo spin è probabilmente la somma degli spin di quark, antiquark e gluoni, ma la distribuzione non è ancora chiara.

Pertanto, l’EIC è un esperimento importante. “I prossimi decenni saranno un momento entusiasmante per la ricerca sui protoni”, afferma Rogo. “Potrebbe essere una particella ben nota e comune, ma ci occuperà per un po’ di tempo a venire.”