L'universo visibile poggia su un fondamento tanto minuscolo quanto essenziale: il protone. Questa particella, presente nel nucleo di ogni atomo, nasconde al suo interno una complessità strutturale che da oltre un secolo sfida fisici teorici e sperimentali. Nonostante l'apparente semplicità, rappresenta uno dei sistemi più intricati della fisica delle particelle e la sua comprensione completa resta uno degli obiettivi più ambiziosi della ricerca moderna.
Stati eccitati del protone: una finestra sui misteri della materia
Le ricerche condotte al Thomas Jefferson National Accelerator Facility negli Stati Uniti stanno rivoluzionando la nostra conoscenza del protone attraverso lo studio dei suoi stati eccitati. Con l’apparato CLAS12, i ricercatori hanno osservato segnali provenienti da questi stati energetici a scale di distanza mai esplorate. Daniel Carman, scienziato del Jefferson Lab, spiega che tali stati offrono informazioni uniche sull’interazione forte, una delle quattro forze fondamentali della natura.
Gli esperimenti hanno rivelato un risultato inatteso: i contributi degli stati eccitati del protone non scompaiono con l’aumentare del trasferimento di momento. La scoperta, pubblicata su Physical Review C, apre nuove prospettive per comprendere come la cromodinamica quantistica governi il comportamento di quark e gluoni.
CLAS12: uno strumento per scrutare l'infinitamente piccolo
Il CLAS12 (CEBAF Large Acceptance Spectrometer at 12 GeV) è un apparato lungo 13 metri progettato per indagare la struttura delle particelle subatomiche. Funziona sparando un fascio di elettroni contro atomi di idrogeno, utilizzando fotoni virtuali come sonde per esplorare la struttura del protone. Questa tecnica consente di variare in modo indipendente lunghezza d’onda ed energia, garantendo un controllo senza precedenti.
L’ampia accettanza angolare del CLAS12 permette di coprire un vasto range di energie nell’intera regione di risonanza. Come sottolinea Kyungseon Joo, professore all’Università del Connecticut, "una gran parte della materia visibile nell’universo è composta da protoni: comprenderli è fondamentale per comprendere l’universo".
Dalla teoria alla scoperta: risultati che sfidano le previsioni
L’analisi dei dati, condotta da Valerii Klimenko durante il dottorato e proseguita all’Argonne National Lab, ha prodotto le prime sezioni d’urto misurate con CLAS12. I risultati mostrano che i contributi degli stati eccitati restano significativi anche a trasferimenti molto elevati, contraddicendo le aspettative teoriche.
Non si tratta solo di una conferma sperimentale: i nuovi dati offrono un banco di prova cruciale per verificare l’evoluzione dell’interazione forte in funzione della scala di distanza. La cromodinamica quantistica, teoria che descrive le interazioni di quark e gluoni, può ora essere testata con maggiore precisione.
Implicazioni per la fisica nucleare del futuro
Le misurazioni nella regione di risonanza consentono per la prima volta di esplorare la struttura del protone su un ampio spettro di scale, dalla fase di forte accoppiamento al regime perturbativo. Questa transizione, tra le più affascinanti e meno comprese della fisica, diventa finalmente accessibile.
Come facility del Dipartimento dell’Energia statunitense, il CEBAF supporta la ricerca di oltre 1.650 fisici nucleari in tutto il mondo. I nuovi risultati non solo gettano luce sulla struttura interna del protone, ma promettono di chiarire i meccanismi fondamentali con cui la materia dell’universo prende forma a partire da quark e gluoni.
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