Nuovi risultati per la fisica quantistica dei nuclei atomici

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Risolto un mistero sul comportamento dei quark. La struttura interna dei protoni e dei neutroni si modifica quando queste particelle si aggregano formando coppie correlate. È per questo che i quark al loro interno si comportano diversamente dal caso in cui protoni e neutroni sono liberi. Lo hanno dimostrato una serie di esperimenti che fanno luce su un fenomeno evidenziato nel 1984 ma finora mai spiegato in modo esauriente.

Il nucleo atomico è costituito da due tipi di particelle: protoni e neutroni. A loro volta, protoni e neutroni sono costituiti da quark (una famiglia di particelle elementari) di diverso tipo e da gluoni, altre particelle elementari che tengono insieme i quark come una colla (da cui il nome gluoni, dall’inglese glue).

Ma questa è solo la prima parte della storia, quella che definisce in termini generali l’interazione tra quark. La seconda, la parte con i dettagli di questa interazione, in gran parte sfuggiva alla capacità di descrizione dei fisici.

Ora però su “Nature”, i ricercatori della collaborazione CLAS, che vede una nutrita partecipazione italiana, e che opera all’acceleratore CEBAF (Continuous Electron Beams Accelerator Facility) del Jefferson Laboratory, negli Stati Uniti, annuncia di aver risolto un enigma che dura dal 1984. In quell’anno al CERN di Ginevra, in Svizzera, dall’esperimento European Muon Collaboration (EMC) emerse un risultato fondamentale: i quark che compongono protoni e neutroni in un nucleo atomico si comportano in modo diverso da quelli che compongono protoni e neutroni liberi, cioè non legati in un nucleo.

Un'immagine dei rivelatori di CLAS. (Cortesia CEBAF Large Acceptance Spectrometer detectors) 
Un’immagine dei rivelatori di CLAS. (Cortesia CEBAF Large Acceptance Spectrometer detectors)

Questo fenomeno, indicato successivamente come effetto EMC, non aveva un spiegazione fisica che convincesse tutti gli addetti ai lavori, ma si è continuato a indagarlo con esperimenti di urti negli acceleratori di particelle. In pratica, in questi esperimenti si invia un fascio di elettroni sul sistema nucleare che s’intende studiare. L’energia degli elettroni è calibrata in modo che la lunghezza d’onda  associata a ciascun elettrone, come descritto nella meccanica quantistica, è delle stesse dimensioni del bersaglio.

Per studiare l’interno di un nucleo sono necessari 1-2 GeV (miliardi di elettronvolt). Dai parametri fisici misurati durante l’urto, è possibile ricavare informazioni sulle caratteristiche del nucleo. E grazie a una serie di misurazioni ad alta precisione effettuate nell’acceleratore CEFAB si è arrivati finalmente a dirimere i dubbi ancora presenti sul modello nucleare.

“Il risultato ottenuto da CLAS ci dice che la struttura interna dei protoni e dei neutroni si modifica quando queste particelle si aggregano formando coppie correlate”, ha commentato Raffaella De Vita, ricercatrice della sezione di Genova dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (INFN) e portavoce della Collaborazione CLAS.

Il nuovo modello proposto prevede che nelle coppie correlate emerga una forte sovrapposizione tra protoni e neutroni, che però dura per brevissimo tempo; le due particelle tendono poi a respingersi con forza. Questi movimenti alternati creano una sorta di danza, in cui le distanze reciproche delle particelle e le energie in gioco sono variabili.

“Uno dei più misteriosi e ancora solo parzialmente esplorati territori della costituzione della materia riguarda proprio il comportamento dei quark nei protoni e neutroni, che possono esistere come particelle libere oppure aggregarsi nei nuclei degli atomi”, ha spiegato Antonio Masiero, vicepresidente dell’INFN. “Questa analisi, a cui ha significativamente collaborato un nostro gruppo di ricercatori INFN al JLab, è un passo avanti per lo studio della QCD, la dinamica quantistica dei quark, a bassa energia nei sistemi nucleari”.

Come ha spiegato Gerald Feldman della George Washington University in un articolo di commento pubblicato sullo stesso numero di “Nature”, il risultato di CLAS avrà importanti ripercussioni per la fisica delle particelle, perché introduce alcune correzioni dovute al comportamento di protoni e neutroni di cui bisognerà tener conto in diversi ambiti, per esempio nella ricerca sui neutrini. In questo caso, le nuove informazioni permetteranno di far quadrare i conti senza la necessità di ipotizzare fenomeni o particelle esotiche.

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