Prima immagine coerente di un nucleo atomico fatto di quark e gluoni

Il nuovo approccio ha permesso ai ricercatori di determinare, per i 18 nuclei atomici studiati, le funzioni di distribuzione dei partoni nei nuclei atomici, le distribuzioni dei partoni nelle coppie di nucleoni correlate e persino il numero di tali coppie correlate.

 

 

 

Il nucleo atomico è costituito da protoni e neutroni, particelle che esistono attraverso l’interazione di quark legati da gluoni.

Sembrerebbe, quindi, che non dovrebbe essere difficile riprodurre tutte le proprietà dei nuclei atomici finora osservate negli esperimenti nucleari utilizzando solo quark e gluoni.

Tuttavia, è solo ora che i fisici, compresi quelli dell’Istituto di Fisica Nucleare dell’Accademia Polacca delle Scienze di Cracovia, sono riusciti a farlo.

E’ passato quasi un secolo dalla scoperta dei principali componenti dei nuclei atomici: protoni e neutroni.

Inizialmente, le nuove particelle erano considerate indivisibili.

Negli anni ’60, tuttavia, c’era l’ipotesi che, a energie sufficientemente elevate, protoni e neutroni avrebbero rivelato la loro struttura interna, la presenza di quark costantemente tenuti insieme dai gluoni.

Poco dopo, l’esistenza dei quark fu confermata sperimentalmente.

Può quindi sembrare sorprendente che, nonostante siano passati molti decenni, nessuno sia stato in grado di riprodurre con modelli quark-gluoni i risultati di esperimenti nucleari a basse energie quando nei nuclei atomici sono visibili solo protoni e neutroni.

Questa situazione di stallo di lunga data è stata superata solo ora, in un articolo pubblicato su Physical Review Letters.

I suoi principali autori sono scienziati della collaborazione internazionale nCTEQ sulla distribuzione di quark e gluoni, compresi quelli dell’Istituto di Fisica Nucleare dell’Accademia Polacca delle Scienze (IFJ PAN) di Cracovia.

“Fino ad ora, ci sono state due descrizioni parallele di nuclei atomici, una basata su protoni e neutroni che possiamo vedere a basse energie, e un’altra, per alte energie, basata su quark e gluoni. Nel nostro lavoro, siamo riusciti a riunire questi due mondi finora separati”, afferma il dottor Aleksander Kusina, uno dei tre teorici dell’IFJ PAN che partecipano alla ricerca.

Gli esseri umani vedono ciò che li circonda perché usano rilevatori innati (occhi) per registrare i fotoni sparsi che hanno precedentemente interagito con gli atomi e le molecole che compongono gli oggetti del nostro ambiente.

I fisici acquisiscono conoscenze sui nuclei atomici in modo simile: li fanno collidere con particelle più piccole e analizzano meticolosamente i risultati delle collisioni.

Per ragioni pratiche, tuttavia, non usano fotoni elettricamente neutri, ma particelle elementari che trasportano una carica, di solito elettroni.

Gli esperimenti mostrano poi che quando gli elettroni hanno energie relativamente basse, i nuclei atomici si comportano come se fossero fatti di nucleoni (cioè protoni e neutroni), mentre ad alte energie, i partoni (cioè quark e gluoni) sono “visibili” all’interno dei nuclei atomici.

I risultati della collisione di nuclei atomici con elettroni sono stati riprodotti abbastanza bene utilizzando modelli che assumono l’esistenza di nucleoni da soli per descrivere collisioni a bassa energia e di soli partoni per collisioni ad alta energia.

Tuttavia, finora queste due descrizioni non sono state in grado di essere combinate in un quadro coerente.

Nel loro lavoro, i fisici dell’IFJ PAN hanno utilizzato i dati sulle collisioni ad alta energia, compresi quelli raccolti presso l’acceleratore LHC presso il laboratorio del CERN di Ginevra.

L’obiettivo principale è stato quello di studiare la struttura partitonica dei nuclei atomici ad alte energie, attualmente descritta dalle funzioni di distribuzione dei partoni (PDF).

Queste funzioni sono utilizzate per mappare il modo in cui quark e gluoni sono distribuiti all’interno di protoni e neutroni e in tutto il nucleo atomico.

Con le funzioni PDF per il nucleo atomico, è possibile determinare parametri misurabili sperimentalmente, come la probabilità che una specifica particella venga creata in una collisione di elettroni o protoni con il nucleo.

Dal punto di vista teorico, l’essenza dell’innovazione proposta in questo articolo è stata l’abile estensione delle funzioni di distribuzione dei partoni, ispirata a quei modelli nucleari utilizzati per descrivere le collisioni a bassa energia, in cui si assumeva che protoni e neutroni si combinassero in coppie di nucleoni fortemente interagenti: protone-neutrone, protone-protone e neutrone-neutrone.

Il nuovo approccio ha permesso ai ricercatori di determinare, per i 18 nuclei atomici studiati, le funzioni di distribuzione dei partoni nei nuclei atomici, le distribuzioni dei partoni nelle coppie di nucleoni correlate e persino il numero di tali coppie correlate.

I risultati hanno confermato l’osservazione nota da esperimenti a bassa energia che la maggior parte delle coppie correlate sono coppie protone-neutrone (questo risultato è particolarmente interessante per nuclei pesanti, ad esempio oro o piombo).

Un altro vantaggio dell’approccio proposto in questo articolo è che fornisce una migliore descrizione dei dati sperimentali rispetto ai metodi tradizionali utilizzati per determinare le distribuzioni dei partoni nei nuclei atomici.

“Nel nostro modello, abbiamo apportato miglioramenti per simulare il fenomeno dell’accoppiamento di alcuni nucleoni. Questo perché ci siamo resi conto che questo effetto potrebbe essere rilevante anche a livello di partone. È interessante notare che ciò ha permesso una semplificazione concettuale della descrizione teorica, che in futuro dovrebbe permetterci di studiare con maggiore precisione le distribuzioni dei partoni per i singoli nuclei atomici”, spiega il dott. Kusina.

L’accordo tra le previsioni teoriche e i dati sperimentali significa che, utilizzando il modello del partone e i dati provenienti dalla regione delle alte energie, è stato possibile per la prima volta riprodurre il comportamento dei nuclei atomici finora spiegato esclusivamente dalla descrizione nucleonica e dai dati delle collisioni a bassa energia.

I risultati degli studi descritti aprono nuove prospettive per una migliore comprensione della struttura del nucleo atomico, unificandone gli aspetti di alta e bassa energia.