I fisici hanno iniziato a esplorare il protone come se fosse un pianeta subatomico. Le mappe in sezione mostrano nuovi dettagli dell'interno della particella. Il nucleo del protone presenta pressioni più intense che in qualsiasi altra forma di materia conosciuta. A metà strada verso la superficie, vortici di forza contrastanti si spingono l'uno contro l'altro. E il “pianeta” nel suo insieme è più piccolo di quanto suggerito da precedenti esperimenti.

Le indagini sperimentali segnano la fase successiva nella ricerca per comprendere la particella che fissa ogni atomo e costituisce la maggior parte del nostro mondo.

"Lo consideriamo davvero come l'apertura di una direzione completamente nuova che cambierà il nostro modo di guardare la struttura fondamentale della materia", ha affermato Latifa Elouadrhiri, un fisico del Thomas Jefferson National Accelerator Facility di Newport News, Virginia, coinvolto nello sforzo.

Gli esperimenti gettano letteralmente una nuova luce sul protone. Nel corso di decenni, i ricercatori hanno mappato meticolosamente l’influenza elettromagnetica delle particelle caricate positivamente. Ma nella nuova ricerca, i fisici del Jefferson Lab stanno invece mappando l’influenza gravitazionale del protone, vale a dire la distribuzione di energie, pressioni e sollecitazioni di taglio che piegano il tessuto spazio-temporale all’interno e attorno alla particella. I ricercatori lo fanno sfruttando un modo peculiare in cui coppie di fotoni, particelle di luce, possono imitare un gravitone, l'ipotizzata particella che trasmette la forza di gravità. Inviando fotoni al protone, deducono indirettamente come la gravità interagirebbe con esso, realizzando il sogno vecchio di decenni di interrogare il protone in questo modo alternativo.

"È un tour de force", ha detto Cédric Lorce, un fisico dell'Ecole Polytechnique in Francia che non è stato coinvolto nel lavoro. "Sperimentalmente, è estremamente complicato." 

Dai fotoni ai gravitoni

Negli ultimi 70 anni i fisici hanno imparato moltissimo sul protone colpendolo ripetutamente con gli elettroni. Sanno che la sua carica elettrica si estende per circa 0.8 femtometri, o quadrilionesimi di metro, dal suo centro. Sanno che gli elettroni in arrivo tendono a rimbalzare su uno dei tre quark – particelle elementari con frazioni di carica – che ronzano al suo interno. Hanno anche osservato la strana conseguenza della teoria quantistica secondo la quale, in collisioni più violente, appaiono gli elettroni incontrare un mare schiumoso composto da molti più quark e gluoni, portatori della cosiddetta forza forte, che tiene insieme i quark.

Tutte queste informazioni provengono da un’unica configurazione: si lancia un elettrone contro un protone e le particelle si scambiano un singolo fotone – il portatore della forza elettromagnetica – e si allontanano a vicenda. Questa interazione elettromagnetica spiega ai fisici come i quark, in quanto oggetti carichi, tendono a organizzarsi. Ma nel protone c’è molto di più oltre alla sua carica elettrica.

“Come sono distribuite la materia e l’energia?” chiesto Pietro Schweitzer, fisico teorico dell'Università del Connecticut. "Non lo sappiamo."

Schweitzer ha trascorso gran parte della sua carriera riflettendo sul lato gravitazionale del protone. Nello specifico, è interessato a una matrice di proprietà del protone chiamata tensore energia-momento. "Il tensore energia-impulso sa tutto quello che c'è da sapere sulla particella", ha detto.

Nella teoria della relatività generale di Albert Einstein, che considera l'attrazione gravitazionale come oggetti che seguono curve nello spazio-tempo, il tensore energia-momento dice allo spazio-tempo come piegarsi. Descrive, ad esempio, la disposizione dell'energia (o, equivalentemente, della massa), la fonte della maggior parte della torsione dello spazio-tempo. Tiene traccia anche delle informazioni su come viene distribuita la quantità di moto, nonché su dove ci sarà compressione o espansione, che possono anche curvare leggermente lo spazio-tempo.

Se potessimo conoscere la forma dello spazio-tempo che circonda un protone, Russo ed americano I fisici hanno elaborato in modo indipendente negli anni ’1960, abbiamo potuto dedurre tutte le proprietà indicizzate nel suo tensore energia-momento. Questi includono la massa e lo spin del protone, che sono già noti, insieme alla disposizione delle pressioni e delle forze del protone, una proprietà collettiva che i fisici chiamano il "termine Druck", dalla parola tedesca per pressione. Questo termine è "importante quanto la massa e lo spin, e nessuno sa cosa sia", ha detto Schweitzer, anche se le cose stanno iniziando a cambiare.

Negli anni '60, sembrava che la misurazione del tensore energia-impulso e il calcolo del termine Druck richiedessero una versione gravitazionale del consueto esperimento di diffusione: si lancia una particella massiccia contro un protone e si lascia che i due si scambino un gravitone, l'ipotetica particella che costituisce le onde gravitazionali, piuttosto che un fotone. Ma a causa dell’estrema debolezza della gravità, i fisici si aspettano che la diffusione dei gravitoni avvenga 39 ordini di grandezza più raramente della diffusione dei fotoni. Gli esperimenti non possono rilevare un effetto così debole.

"Ricordo di aver letto questo quando ero studente", ha detto Volker Burkert, un membro del team del Jefferson Lab. La conclusione è stata che “probabilmente non saremo mai in grado di imparare nulla sulle proprietà meccaniche delle particelle”.

Gravità senza gravità

Gli esperimenti gravitazionali sono ancora inimmaginabili oggi. Ma le ricerche condotte alla fine degli anni Novanta e all’inizio degli anni Duemila dai fisici Xiangdong Ji e, lavorando separatamente, dal defunto Maxim Polyakov rivelato a soluzione.

Lo schema generale è il seguente. Quando si lancia leggermente un elettrone contro un protone, di solito questo consegna un fotone a uno dei quark e si allontana. Ma in meno di un evento su un miliardo accade qualcosa di speciale. L'elettrone in arrivo invia un fotone. Un quark lo assorbe e poi emette un altro fotone un battito cardiaco dopo. La differenza fondamentale è che questo raro evento coinvolge due fotoni invece di uno: sia i fotoni in entrata che quelli in uscita. I calcoli di Ji e Polyakov mostrarono che se gli sperimentali potessero raccogliere l'elettrone, il protone e il fotone risultanti, potrebbero dedurre dalle energie e dalla quantità di moto di queste particelle cosa è successo con i due fotoni. E quell’esperimento con due fotoni sarebbe essenzialmente altrettanto informativo quanto l’impossibile esperimento di diffusione dei gravitoni.

Come possono due fotoni sapere qualcosa sulla gravità? La risposta coinvolge la matematica complessa. Ma i fisici offrono due modi di pensare al perché il trucco funziona.

I fotoni sono increspature nel campo elettromagnetico, che possono essere descritte da una singola freccia, o vettore, in ogni posizione nello spazio che indica il valore e la direzione del campo. I gravitoni sarebbero increspature nella geometria dello spazio-tempo, un campo più complicato rappresentato da una combinazione di due vettori in ogni punto. Catturare un gravitone fornirebbe ai fisici due vettori di informazioni. A parte ciò, due fotoni possono sostituire un gravitone, poiché trasportano collettivamente anche due vettori di informazione.

Un'interpretazione alternativa della matematica è la seguente. Nell'istante che intercorre tra quando un quark assorbe il primo fotone e quando emette il secondo, il quark segue un percorso nello spazio. Analizzando questo percorso, possiamo conoscere proprietà come le pressioni e le forze che circondano il percorso.

"Non stiamo facendo un esperimento gravitazionale", ha detto Lorcé. Ma “dovremmo ottenere un accesso indiretto a come un protone dovrebbe interagire con un gravitone”. 

Sondaggio del pianeta Proton

I fisici del Jefferson Lab hanno messo insieme alcuni eventi di diffusione di due fotoni nel 2000. Quella prova di concetto li ha motivati ​​a costruire un nuovo esperimento e, nel 2007, hanno fatto esplodere gli elettroni nei protoni abbastanza volte da accumulare circa 500,000 collisioni che imitano i gravitoni. L’analisi dei dati sperimentali ha richiesto un altro decennio.

Dal loro indice delle proprietà di piegamento dello spazio-tempo, il team ha estratto l'inafferrabile termine Druck, pubblicandolo la loro stima delle pressioni interne del protone Natura in 2018.

Hanno scoperto che nel cuore del protone, la forza forte genera pressioni di intensità inimmaginabile: 100 miliardi di trilioni di trilioni di pascal, ovvero circa 10 volte la pressione nel cuore di una stella di neutroni. Più lontano dal centro, la pressione diminuisce e alla fine si rivolge verso l'interno, come è necessario affinché il protone non si disintegra. "Questo viene fuori dall'esperimento", ha detto Burkert. “Sì, un protone è effettivamente stabile.” (Questa constatazione non ha alcuna influenza se i protoni decadono, tuttavia, che comporta un diverso tipo di instabilità prevista da alcune teorie speculative.)

Il gruppo del Jefferson Lab ha continuato ad analizzare il termine Druck. Hanno pubblicato una stima delle forze di taglio – forze interne che spingono parallelamente alla superficie del protone – come parte di una revisione pubblicato a dicembre. I fisici hanno scoperto che vicino al suo nucleo, il protone sperimenta una forza di torsione che viene neutralizzata da una torsione nella direzione opposta più vicino alla superficie. Queste misurazioni sottolineano anche la stabilità della particella. I colpi di scena erano stati previsti sulla base del lavoro teorico di Schweitzer e Polyakov. “Tuttavia, vederlo emergere dall’esperimento per la prima volta è davvero sorprendente”, ha detto Elouadrhiri.

Ora stanno usando questi strumenti per calcolare la dimensione del protone in un modo nuovo. Negli esperimenti di diffusione tradizionali, i fisici avevano osservato che la carica elettrica della particella si estende per circa 0.8 femtometri dal suo centro (cioè, i suoi quark costituenti ronzano in quella regione). Ma quel “raggio di carica” ha alcune stranezze. Nel caso del neutrone, ad esempio - la controparte neutra del protone, in cui due quark con carica negativa tendono a rimanere in profondità all'interno della particella mentre un quark con carica positiva trascorre più tempo vicino alla superficie - il raggio di carica risulta come un numero negativo . “Ciò non significa che la dimensione sia negativa; semplicemente non è una misura fedele", ha detto Schweitzer.

Il nuovo approccio misura la regione dello spazio-tempo che è significativamente curvata dal protone. In una prestampa che non è stata ancora sottoposta a revisione paritaria, il team del Jefferson Lab ha calcolato che questo raggio potrebbe esserlo circa il 25% più piccolo rispetto al raggio di carica, appena 0.6 femtometri.

I limiti del pianeta Proton

Concettualmente, questo tipo di analisi uniforma la danza confusa dei quark in un oggetto solido, simile a un pianeta, con pressioni e forze che agiscono su ogni granello di volume. Quel pianeta ghiacciato non riflette completamente il rauco protone in tutta la sua gloria quantistica, ma è un modello utile. "È un'interpretazione", ha detto Schweitzer.

E i fisici sottolineano che le mappe iniziali sono approssimative, per diversi motivi.

Innanzitutto, misurare con precisione il tensore energia-momento richiederebbe energie di collisione molto più elevate di quelle che il Jefferson Lab può produrre. Il team ha lavorato duramente per estrapolare attentamente le tendenze dalle energie relativamente basse a cui possono accedere, ma i fisici non sono sicuri di quanto siano accurate queste estrapolazioni.

Inoltre, il protone è qualcosa di più dei suoi quark; contiene anche gluoni, che si muovono con le proprie pressioni e forze. Il trucco dei due fotoni non può rilevare gli effetti dei gluoni. Un team separato del Jefferson Lab ha utilizzato un trucco analogo (che coinvolge un'interazione con doppio gluone) per pubblicare una mappa gravitazionale preliminare di questi effetti dei gluoni in Natura l'anno scorso, ma anch’esso si basava su dati limitati e a basso consumo energetico.

"È un primo passo", ha detto Yoshitaka Hatta, un fisico del Brookhaven National Laboratory che è stato ispirato a iniziare a studiare il protone gravitazionale dopo il lavoro del gruppo Jefferson Lab del 2018.

Mappe gravitazionali più nitide sia dei quark del protone che dei suoi gluoni potrebbero arrivare negli anni '2030 del XNUMX, quando l'Electron-Ion Collider, un esperimento attualmente in costruzione a Brookhaven, inizierà a funzionare.

Nel frattempo, i fisici stanno portando avanti gli esperimenti digitali. Phiala Shanahan, fisico nucleare e delle particelle del Massachusetts Institute of Technology, guida un team che calcola il comportamento di quark e gluoni partendo dalle equazioni della forza forte. Nel 2019 lei e i suoi collaboratori stimato le pressioni e forze di taglio, e in ottobre, loro stimato il raggio, tra le altre proprietà. Finora, i loro risultati digitali si sono sostanzialmente allineati con quelli fisici del Jefferson Lab. "Sono certamente piuttosto entusiasta della coerenza tra i recenti risultati sperimentali e i nostri dati", ha detto Shanahan.

Anche le visioni sfocate del protone ottenute finora hanno rimodellato la comprensione della particella da parte dei ricercatori.

Alcune conseguenze sono pratiche. Al CERN, l'organizzazione europea che gestisce il Large Hadron Collider, il più grande distruttore di protoni del mondo, i fisici avevano precedentemente ipotizzato che in alcune rare collisioni, i quark potessero trovarsi ovunque all'interno dei protoni in collisione. Ma le mappe ispirate alla gravitazione suggeriscono che in questi casi i quark tendono a restare vicino al centro.

"I modelli utilizzati al CERN sono già stati aggiornati", ha affermato Francois-Xavier Girod, un fisico del Jefferson Lab che ha lavorato agli esperimenti.

Le nuove mappe potrebbero anche offrire una guida per risolvere uno dei misteri più profondi del protone: perché i quark si legano ai protoni. C'è un argomento intuitivo secondo cui, poiché la forza forte tra ciascuna coppia di quark si intensifica man mano che si allontanano, come un elastico, i quark non potranno mai sfuggire ai loro compagni.

Ma i protoni sono costituiti dai membri più leggeri della famiglia dei quark. E i quark leggeri possono anche essere pensati come onde lunghe che si estendono oltre la superficie del protone. Questo quadro suggerisce che il legame del protone potrebbe avvenire non attraverso la trazione interna di elastici, ma attraverso qualche interazione esterna tra questi quark ondulati e allungati. La mappa della pressione mostra l’attrazione della forza forte che si estende fino a 1.4 femtometri e oltre, rafforzando l’argomentazione a favore di tali teorie alternative.

“Non è una risposta definitiva”, ha detto Girod, “ma indica il fatto che queste semplici immagini con elastici non sono rilevanti per i quark leggeri”.