Recenti progressi presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility hanno permesso ai fisici di esplorare la struttura interna dei neutroni in dettaglio senza precedenti. Utilizzando un nuovo rivelatore, i ricercatori hanno ottenuto una comprensione più profonda di come quark e gluoni contribuiscano allo spin complessivo del nucleone, compiendo significativi progressi nella fisica nucleare.
I protoni e i neutroni, conosciuti collettivamente come nucleoni, sono i mattoni fondamentali della materia. Tuttavia, quando si tratta di esperimenti di fisica nucleare, i protoni hanno storicamente ricevuto più attenzione fino ad ora. Per la prima volta, gli scienziati hanno ottenuto uno sguardo sulla struttura interna del neutrone. Questa svolta, pubblicata in Physical Review Letters, è stata resa possibile da un decennio di sforzi per sviluppare un rivelatore specializzato, ora installato nell’Experimental Hall B presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.
“Abbiamo rilevato il neutrone per la prima volta in questo tipo di reazione, ed è un risultato piuttosto importante per lo studio dei nucleoni”, ha dichiarato Silvia Niccolai, direttore di ricerca presso il Centro Nazionale Francese per la Ricerca Scientifica (CNRS). Niccolai, che ha proposto l’esperimento, ha spiegato che questo traguardo fornirà preziose intuizioni sulla struttura e lo spin sia dei neutroni che dei protoni, avanzando la nostra comprensione del comportamento dei nucleoni.
I nucleoni sono composti da particelle più piccole chiamate quark e gluoni. I fisici non comprendono ancora appieno come queste particelle costituenti siano distribuite all’interno dei nucleoni, o come contribuiscano allo spin complessivo del nucleone. Gli sperimentatori utilizzano il Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF), una struttura per utenti dell’Ufficio della Scienza del Dipartimento dell’Energia, per indagare su queste particelle, facendo scontrare elettroni con bersagli nucleonici e rilevando i prodotti finali di queste reazioni.
Una reazione è chiamata scattering Compton profondamente virtuale (DVCS). Nel DVCS, un elettrone interagisce con un bersaglio nucleonico. Il nucleone assorbe parte dell’energia dell’elettrone ed emette un fotone, ma non si rompe. Alla fine, possono essere rilevate tre particelle: il nucleone colpito, il fotone emesso e l’elettrone che ha interagito con il nucleone.
I ricercatori hanno studiato ampiamente il DVCS utilizzando il rivelatore CLAS12, che sta per Spettrometro di Ampia Accettazione del CEBAF a 12 GeV di energia del fascio, così come il suo predecessore, CLAS. Tuttavia, i rivelatori CLAS e CLAS12 nell’Experimental Hall B sono stati principalmente utilizzati per esplorare il DVCS sul protone, che è più facile da misurare rispetto al DVCS sul neutrone.
I neutroni coinvolti nel DVCS sono più difficili da rilevare perché tendono a deviare di 40 gradi rispetto alla linea del fascio, un’area a cui CLAS12 non può accedere.
Sviluppo del Rivelatore Centrale per i Neutroni
Nella configurazione standard, non era possibile rilevare i neutroni in questi angoli, ha detto Niccolai. Nel 2007, ha iniziato a pensare a come la collaborazione CLAS di fisici nucleari potesse misurare questi neutroni. La sua soluzione? Il Rivelatore Centrale per i Neutroni. Niccolai e il suo team presso il Laboratorio di Fisica dei due Infiniti Irène Joliot-Curie (IJCLab), un’unità di ricerca congiunta del CNRS a Orsay, dell’Università Paris-Saclay e dell’Università Paris-City, hanno iniziato a costruire il rivelatore nel 2011 con il finanziamento dell’Istituto Nazionale Francese di Fisica Nucleare e delle Particelle.
Il team ha completato il rivelatore nel 2015. Due anni dopo, è stato installato in CLAS12. Pierre Chatagnon, all’epoca studente di dottorato all’Università Paris-Saclay, si è unito al team dell’IJCLab presso il Jefferson Lab per installare il rivelatore. Ha anche scritto il software per calibrarlo. Oggi è tornato al Jefferson Lab come postdoc nell’Experimental Hall B.
Superamento delle Sfide Tecniche
Il Rivelatore Centrale per i Neutroni ha raccolto dati tra il 2019 e il 2020. Anche se era in grado di coprire gli angoli necessari per rilevare i neutroni, Niccolai e il suo team hanno incontrato un problema inaspettato durante l’analisi dei dati: la contaminazione da protoni. Il rivelatore era progettato per scartare segnali carichi, non neutroni. Tuttavia, hanno scoperto che la parte del rivelatore responsabile del veto dei protoni aveva zone morte, permettendo ai protoni di infiltrarsi e contaminare le misurazioni dei neutroni.
Fortunatamente, Adam Hobart, un ricercatore dell’IJCLab che ha guidato l’analisi dei dati per questo esperimento, è riuscito a pulire i dati. Questo è stato risolto grazie all’esperienza di Adam nell’uso di tecniche di apprendimento automatico, ha detto Niccolai. Ha sviluppato uno strumento basato su ML per discriminare i segnali falsi dai veri neutroni, e questo è stato vitale per ottenere i nostri risultati finali.
L’utilizzo di queste tecniche ML con il Rivelatore Centrale per i Neutroni ha permesso le prime misurazioni del DVCS sul neutrone che rilevano direttamente il neutrone partecipante alla reazione.
Avanzamento della Fisica Nucleare
Il quadro teorico noto come distribuzioni parton generalizzate (GPD) trasforma le misurazioni degli esperimenti di scattering in informazioni sulla distribuzione dei partoni, il nome collettivo per quark e gluoni, all’interno dei nucleoni. Ci sono quattro tipi di GPD. Le misurazioni dei neutroni da questo esperimento hanno permesso ai ricercatori di accedere a uno dei tipi meno conosciuti, indicato come GPD E.
Durante l’esperimento, il fascio di CEBAF era polarizzato, il che significa che gli spin dei suoi elettroni erano orientati nella stessa direzione. Questo ha permesso ai ricercatori di estrarre un osservabile, noto come asimmetria, che dipende dallo spin del fascio. Con questa asimmetria, sono stati in grado di estrarre GPD E con una precisione senza precedenti.
Il GPD E è molto importante perché può fornirci informazioni sulla struttura dello spin dei nucleoni, ha detto Niccolai. Quando combinato con altri GPD, il GPD E può essere utilizzato per quantificare quanto i quark costituenti contribuiscano allo spin totale del nucleone, attualmente sconosciuto.
Anche se quel calcolo sarà effettuato in lavori futuri, in questo lavoro i ricercatori hanno compiuto un altro passo verso la risoluzione della cosiddetta crisi dello spin del nucleone.
I nucleoni contengono due tipi, o sapori, di quark: su e giù. Un protone ha due quark su e un quark giù; un neutrone ha due quark giù e un quark su. I GPD possono essere suddivisi per sapori di quark. Combinando le misurazioni del DVCS sul neutrone con le precedenti misurazioni del DVCS sul protone, i ricercatori sono stati in grado di separare le parti immaginarie dei GPD E e H per sapori di quark per la prima volta.
Separare le distribuzioni per quark su e giù aiuterà i fisici a capire come i diversi sapori di quark contribuiscono allo spin del nucleone. Anche i teorici Maria ui e Kre imir Kumeri ki hanno contribuito a questa separazione dei sapori per la prima volta, ma il lavoro dell’intera collaborazione CLAS è stato cruciale per raggiungere questi risultati pionieristici.
Dobbiamo ringraziare l’intera Collaborazione CLAS, ha detto Hobart. Prendere e elaborare i dati è un lavoro collaborativo.
Direzioni e Successi Futuri
Con la prova del principio in mano, i ricercatori pianificano di raccogliere ulteriori dati con CLAS12 e il Rivelatore Centrale per i Neutroni per effettuare misurazioni ancora più precise. Ma questo primo risultato è importante, ha detto Niccolai. Si sente come il completamento di un ciclo e un traguardo di una vita perché questo è il primo progetto di cui ho assunto piena responsabilità nella mia carriera. Arrivare infine a un risultato significativo dal punto di vista fisico e vederlo pubblicato è come aver avuto un altro figlio.
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