I fisici del MIT hanno ora una risposta a una domanda della fisica nucleare che ha lasciato perplessi gli scienziati per tre decenni: Perché i quark si muovono più lentamente negli atomi più grandi?

I quark, insieme ai gluoni, sono i mattoni fondamentali dell’universo. Queste particelle subatomiche – le particelle più piccole che conosciamo – sono molto più piccole, e operano a livelli di energia molto più alti, dei protoni e dei neutroni in cui si trovano. I fisici hanno quindi supposto che un quark dovrebbe essere allegramente indifferente alle caratteristiche dei protoni e dei neutroni, e dell’atomo nel suo complesso, in cui risiede.

Ma nel 1983, i fisici del CERN, nell’ambito della European Muon Collaboration (EMC), hanno osservato per la prima volta quello che sarebbe diventato noto come effetto EMC: nel nucleo di un atomo di ferro contenente molti protoni e neutroni, i quark si muovono molto più lentamente dei quark nel deuterio, che contiene un solo protone e neutrone. Da allora, i fisici hanno trovato altre prove che più grande è il nucleo di un atomo, più lenti sono i quark che si muovono al suo interno.

“Le persone si sono scervellate per 35 anni, cercando di spiegare perché questo effetto accade”, dice Or Hen, assistente professore di fisica al MIT.

Ora Hen, Barak Schmookler, e Axel Schmidt, uno studente laureato e postdoc nel Laboratorio di Scienze Nucleari del MIT, hanno guidato un team internazionale di fisici per identificare una spiegazione per l’effetto EMC. Hanno scoperto che la velocità di un quark dipende dal numero di protoni e neutroni che formano coppie correlate a corto raggio nel nucleo di un atomo. Più coppie di questo tipo ci sono in un nucleo, più lentamente i quark si muovono all’interno dei protoni e dei neutroni dell’atomo.

Schmidt dice che i protoni e i neutroni di un atomo possono accoppiarsi costantemente, ma solo momentaneamente, prima di scindersi e prendere strade diverse. Durante questa breve interazione ad alta energia, egli crede che i quark nelle loro rispettive particelle possano avere uno “spazio più ampio per giocare”.

“Nella meccanica quantistica, ogni volta che si aumenta il volume in cui un oggetto è confinato, esso rallenta”, dice Schmidt. “Se si restringe lo spazio, accelera. Questo è un fatto noto.”

Poiché gli atomi con nuclei più grandi hanno intrinsecamente più protoni e neutroni, è anche più probabile che abbiano un maggior numero di coppie protone-neutrone, note anche come “coppie correlate a corto raggio” o SRC. Pertanto, il team conclude che più grande è l’atomo, più coppie è probabile che contenga, con conseguente movimento più lento dei quark in quel particolare atomo.

Schmookler, Schmidt, e Hen come membri della Collaborazione CLAS presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility, hanno pubblicato i loro risultati oggi sulla rivista Nature.

Da un suggerimento a un quadro completo

Nel 2011, Hen e collaboratori, che ha concentrato gran parte della sua ricerca sulle coppie SRC, si sono chiesti se questo accoppiamento effimero avesse qualcosa a che fare con l’effetto CEM e la velocità dei quark nei nuclei atomici.

Hanno raccolto dati da vari esperimenti di acceleratori di particelle, alcuni dei quali hanno misurato il comportamento dei quark in alcuni nuclei atomici, mentre altri hanno rilevato coppie SRC in altri nuclei. Quando hanno tracciato i dati su un grafico è apparsa una chiara tendenza: Più grande era il nucleo di un atomo, più coppie SRC c’erano, e più lenti erano i quark misurati. Il nucleo più grande nei dati – l’oro – conteneva quark che si muovevano il 20% più lentamente di quelli nel nucleo più piccolo misurato, l’elio.

“Questa è stata la prima volta che questa connessione è stata suggerita concretamente”, dice Hen. “Ma dovevamo fare uno studio più dettagliato per costruire un quadro fisico completo”

Così lui e i suoi colleghi hanno analizzato i dati di un esperimento che ha confrontato atomi di diverse dimensioni e ha permesso di misurare sia la velocità dei quark che il numero di coppie SRC nel nucleo di ogni atomo. L’esperimento è stato condotto presso il CEBAF Large Acceptance Spectrometer, o rivelatore CLAS, un enorme acceleratore di particelle sferico a quattro piani presso il Thomas Jefferson National Laboratory di Newport News, in Virginia.

All’interno del rivelatore, Hen descrive la configurazione del bersaglio del team come una “specie di Frankenstein”, con bracci meccanici, ognuno dei quali teneva una lamina sottile fatta di un materiale diverso, come carbonio, alluminio, ferro e piombo, ciascuno composto da atomi contenenti 12, 27, 67 e 208 protoni e neutroni, rispettivamente. Un recipiente adiacente conteneva deuterio liquido, con atomi contenenti il minor numero di protoni e neutroni del gruppo.

Quando volevano studiare una particolare lamina, mandavano un comando al braccio interessato per abbassare la lamina di interesse, seguendo la cella di deuterio e direttamente nel percorso del fascio di elettroni del rilevatore. Questo fascio sparava elettroni alla cella di deuterio e alla lamina solida, al ritmo di diversi miliardi di elettroni al secondo. Mentre la stragrande maggioranza degli elettroni manca i bersagli, alcuni colpiscono i protoni o i neutroni all’interno del nucleo, o gli stessi quark molto più piccoli. Quando colpiscono, gli elettroni si disperdono ampiamente, e gli angoli e le energie a cui si disperdono variano a seconda di ciò che colpiscono – informazioni che il rilevatore cattura.

Tuning degli elettroni

L’esperimento è durato diversi mesi e alla fine ha accumulato miliardi di interazioni tra elettroni e quark. I ricercatori hanno calcolato la velocità del quark in ogni interazione, basandosi sull’energia dell’elettrone dopo la dispersione, poi hanno confrontato la velocità media del quark tra i vari atomi.

Guardando angoli di dispersione molto più piccoli, corrispondenti a trasferimenti di momento di una diversa lunghezza d’onda, il team è stato in grado di “ingrandire” in modo che gli elettroni si disperdessero dai protoni e neutroni più grandi, piuttosto che dai quark. Le coppie SRC sono tipicamente estremamente energetiche e quindi spargerebbero elettroni ad energie più alte rispetto ai protoni e neutroni non accoppiati, che è una distinzione che i ricercatori hanno usato per rilevare le coppie SRC in ogni materiale studiato.

“Vediamo che queste coppie ad alto momento sono la ragione di questi quark che si muovono lentamente”, dice Hen.

In particolare, hanno trovato che i quark nelle lamine con nuclei atomici più grandi (e più coppie protone-neutrone) si muovevano al massimo il 20% più lentamente del deuterio, il materiale con il minor numero di coppie.

“Queste coppie di protoni e neutroni hanno questa folle interazione ad alta energia, molto rapidamente, e poi si dissipano”, dice Schmidt. “In quel momento, l’interazione è molto più forte del normale e i nucleoni hanno una significativa sovrapposizione spaziale. Quindi pensiamo che i quark in questo stato rallentino molto.”

I loro dati mostrano per la prima volta che quanto la velocità di un quark è rallentata dipende dal numero di coppie SRC in un nucleo atomico. I quark nel piombo, per esempio, erano molto più lenti di quelli nell’alluminio, che a loro volta erano più lenti del ferro, e così via.

Il team sta ora progettando un esperimento in cui spera di rilevare la velocità dei quark, in particolare nelle coppie SRC.

“Vogliamo isolare e misurare le coppie correlate, e ci aspettiamo che ciò produca questa stessa funzione universale, nel senso che il modo in cui i quark cambiano la loro velocità all’interno delle coppie è lo stesso nel carbonio e nel piombo, e dovrebbe essere universale in tutti i nuclei”, dice Schmidt.

In definitiva, la nuova spiegazione del team può aiutare a illuminare le sottili ma importanti differenze nel comportamento dei quark, gli elementi costitutivi più elementari del mondo visibile. Gli scienziati hanno una comprensione incompleta di come queste minuscole particelle vengono a costruire i protoni e i neutroni che poi si uniscono per formare i singoli atomi che compongono tutto il materiale che vediamo nell’universo.

“Capire come i quark interagiscono è davvero l’essenza della comprensione della materia visibile nell’universo”, dice Hen. “Questo effetto CEM, anche se dal 10 al 20 per cento, è qualcosa di così fondamentale che vogliamo capirlo.”

Questa ricerca è stata finanziata, in parte, dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, e dalla National Science Foundation.

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