Ecco come gli scienziati sono riusciti a “vedere” nel nucleo degli atomi

 

La prima osservazione in assoluto dell’interferenza quantistica tra particelle dissimili offre un nuovo approccio per mappare la distribuzione dei gluoni nei nuclei atomici.

 

I fisici nucleari hanno trovato un nuovo modo di utilizzare il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) – un collisore di particelle presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) – per vedere la forma e i dettagli all’interno dei nuclei atomici.

Il metodo si basa su particelle di luce che circondano gli ioni d’oro mentre sfrecciano intorno al collisore e un nuovo tipo di entanglement quantistico che non è mai stato visto prima.

Attraverso una serie di fluttuazioni quantistiche, le particelle di luce (i fotoni) interagiscono con i gluoni, particelle che tengono insieme i quark all’interno dei protoni e dei neutroni dei nuclei.

Queste interazioni producono una particella intermedia che decade rapidamente in due pioni (π) caricati diversamente. Misurando la velocità e gli angoli con cui queste particelle π+ e π- colpiscono il rivelatore di RHIC, gli scienziati possono tornare indietro per ottenere informazioni cruciali sul fotone e usarle per mappare la disposizione dei gluoni all’interno del nucleo con una precisione mai vista prima^.

“Questa tecnica è simile al modo in cui i medici usano la tomografia a emissione di positroni (scansioni PET) per vedere cosa sta succedendo all’interno del cervello e di altre parti del corpo”, ha detto l’ex fisico del Brookhaven Lab James Daniel Brandenburg, membro della collaborazione STAR che si è unito alla Ohio State University come assistente professore nel gennaio 2023.

“Ma in questo caso, stiamo parlando di mappare le caratteristiche sulla scala dei femtometri – quadrilioni di metro – delle dimensioni di un singolo protone”.

Ancora più sorprendente, dicono i fisici di STAR, è l’osservazione di un tipo completamente nuovo di interferenza quantistica che rende possibili le loro misurazioni.

“Misuriamo due particelle in uscita e chiaramente le loro cariche sono diverse – sono particelle diverse – ma vediamo modelli di interferenza che indicano che queste particelle sono intrecciate (entanglement), o in sincronia tra loro, anche se sono particelle distinguibili”, ha detto il fisico di Brookhaven e collaboratore di STAR Zhangbu Xu.

Questa scoperta potrebbe avere applicazioni ben oltre il nobile obiettivo di mappare i mattoni della materia.

Ad esempio, molti scienziati, compresi quelli che hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 2022, stanno cercando di sfruttare l’entanglement.

Uno degli obiettivi è quello di creare strumenti di comunicazione e computer significativamente più potenti di quelli esistenti oggi. Ma la maggior parte delle altre osservazioni di entanglement fino ad oggi, inclusa una recente dimostrazione di interferenza di laser con lunghezze d’onda diverse, sono state tra fotoni o elettroni identici.

“Questa è la prima osservazione sperimentale in assoluto dell’entanglement tra particelle dissimili”, ha detto Brandenburg.

Con il RHIC i fisici possono studiare i mattoni più interni della materia nucleare: i quark e i gluoni che compongono protoni e neutroni. Lo fanno distruggendo insieme i nuclei di atomi pesanti come l’oro che viaggiano in direzioni opposte attorno al collisore a velocità prossime a quella della luce.

L’intensità di queste collisioni tra nuclei (chiamati anche ioni) può “sciogliere” i confini tra singoli protoni e neutroni in modo che gli scienziati possano studiare i quark e i gluoni come esistevano nell’universo primordiale, prima che si formassero protoni e neutroni.

Ma i fisici nucleari vogliono anche sapere come si comportano quark e gluoni all’interno dei nuclei atomici come esistono oggi, per capire meglio la forza che tiene insieme questi mattoni.

Una recente scoperta che utilizza “nuvole” di fotoni che circondano gli ioni veloci di RHIC suggerisce un modo per utilizzare queste particelle di luce per dare un’occhiata all’interno dei nuclei. Se due ioni d’oro passano l’un l’altro molto vicino senza collidere, i fotoni che circondano uno ione possono sondare la struttura interna dell’altro.

“In quel lavoro precedente, abbiamo dimostrato che quei fotoni sono polarizzati, con il loro campo elettrico che si irradia verso l’esterno dal centro dello ione. E ora usiamo quello strumento, la luce polarizzata, per visualizzare efficacemente i nuclei ad alta energia”, ha detto Xu.

L’interferenza quantistica osservata tra il π+ e il π- nei dati appena analizzati consente di misurare la direzione di polarizzazione dei fotoni in modo molto preciso. Ciò a sua volta consente ai fisici di osservare la distribuzione dei gluoni sia lungo la direzione del moto del fotone che perpendicolare ad esso.

Quell’imaging bidimensionale risulta essere molto importante.

“Tutte le misurazioni precedenti, in cui non conoscevamo la direzione della polarizzazione, misuravano la densità dei gluoni come media, in funzione della distanza dal centro del nucleo, un’immagine unidimensionale”, ha detto Brandenburg.

“Ora possiamo scattare una foto in cui possiamo davvero distinguere la densità dei gluoni in un dato angolo e raggio”, ha detto Brandenburg. “Le immagini sono così precise che possiamo persino iniziare a vedere la differenza tra dove sono i protoni e dove sono disposti i neutroni all’interno di questi grandi nuclei”.

Le nuove immagini corrispondono qualitativamente alle previsioni teoriche utilizzando la distribuzione dei gluoni, così come le misurazioni della distribuzione della carica elettrica all’interno dei nuclei, dicono gli scienziati.

Le future misurazioni al RHIC con particelle più pesanti e diversi tempi di vita – e in un collisore di elettroni-ioni (EIC) in costruzione a Brookhaven – sonderanno distribuzioni più dettagliate dei gluoni all’interno dei nuclei e testeranno altri possibili scenari di interferenza quantistica.