L’anomalia del protone è stata confermata

Il protone è sicuramente una particella misteriosa. Sebbene sia stato scoperto più di 100 anni fa, molte delle sue proprietà non sono ancora ben comprese. Questo è lo stato della loro polarizzazione elettrica, cioè la loro capacità di deformarsi in presenza di un campo elettrico. Quando questa caratteristica è stata misurata quasi vent’anni fa, è stata notata un’anomalia nei dati. La sua origine è ancora dibattuta tra gli specialisti. Ruonan Li e Niko Sparveris della Temple University, Philadelphia, USA, e i loro colleghi hanno ripetuto questo esperimento… ma l’anomalia sembra persistere. Cosa concludiamo?

Un protone è un composto di quark e gluoni la cui coerenza è assicurata dall’interazione forte, descritta nella teoria della cromodinamica quantistica (QCD). “Questa teoria prevede che la polarizzazione elettrica diminuisce con l’aumentare dell’energia con cui viene testato un protone”, spiega Nico Spaveriris. Tuttavia, molti esperimenti lo hanno dimostrato Mentre il protone nel suo insieme diventa effettivamente più rigido con l’aumentare dell’energia, questa tendenza sembra interrompersi in un intervallo ristretto di energia quando il protone diventa più deformabile.

Quando questa anomalia è stata notata per la prima volta, nei pionieristici esperimenti di polarizzazione del protone, i fisici inizialmente pensavano che si trattasse di una fluttuazione statistica, misurazioni che si discostano dal valore reale a causa di una serie di incertezze. Quindi abbiamo eseguito lo stesso esperimento ma con un maggiore controllo per alcune incertezze. Questo ci ha permesso di migliorare la precisione di un fattore due”, afferma Nico Spaveris.

Per misurare la polarizzabilità, i ricercatori hanno utilizzato le strutture del Jefferson Laboratory negli Stati Uniti, dove hanno accelerato un raggio di elettroni per bombardare un bersaglio con idrogeno liquido. Durante tale collisione, gli elettroni interagiscono con i protoni bersaglio scambiandosi un fotone virtuale, cioè una particella che ha tutte le proprietà di un fotone ma ha una vita molto limitata. Dopo uno scambio virtuale di fotoni, i protoni emettono un fotone molto reale che è la sorgente del campo elettrico necessario per misurare la polarizzazione. Le proprietà dei fotoni reali emessi sono legate all’intensità dell’interazione tra i quark sulla scala dell’energia della sonda, e quindi alla rigidità del protone.

L’anomalia potrebbe essere di nuovo il risultato di una fluttuazione statistica? “Per eliminare ogni possibilità che questo possa essere il risultato di un artefatto sperimentale”, continua Nico Spafferis, “misureremo queste proprietà usando fasci di positroni”. [l’antiparticule de l’électron, de charge positive, ndlr]. Il fatto che sia stata utilizzata una sonda diversa offre la possibilità di condurre uno studio con incertezze indipendenti da quello effettuato con gli elettroni.

Ma se questa anomalia persiste, i fisici concluderanno che manca qualcosa nella loro descrizione del protone. La difficoltà della modellazione del protone deriva dal fatto che la QCD si comporta in modo molto diverso a seconda dell’energia (e della distanza, il ridimensionamento ad alta energia corrisponde a una distanza molto piccola tra due quark e viceversa). Ad energia molto elevata, la forza dell’interazione forte tende a zero ei quark non interagiscono più tra loro; Stiamo parlando di libertà di approccio. Viceversa, se i quark si allontanano, la forza che li lega insieme diventa estremo e li trattiene nel protone; Stiamo parlando di contenimento. Tuttavia, non sappiamo ancora come descrivere esattamente questo sistema, il che potrebbe spiegare perché i modelli anomali non vengono descritti. “Se continuiamo a migliorare l’accuratezza dei nostri esperimenti, saranno una guida efficace per affinare la teoria”, sottolinea Nico Spaveriris.