Un nuovo approccio che unisce i fondamenti teorici agli studi sperimentali sulla struttura del protone sta emergendo grazie ai progressi nella cromodinamica quantistica. Questi progressi stanno gettando luce su come quark e gluoni si combinano nei protoni, creando un collegamento diretto tra la fisica teorica e gli esperimenti pratici volti a decodificare la complessa struttura del protone attraverso collisioni ad alta energia.
I protoni e altre particelle subatomiche legate dalla forza nucleare forte sono composte da costituenti più piccoli e fondamentali noti come quark e gluoni. Questi elementi sono mantenuti insieme dai principi della cromodinamica quantistica (QCD), una teoria che spiega le interazioni forti tra i quark attraverso il concetto di simmetria del colore. Nonostante la sua potenza esplicativa, la QCD rimane in molti aspetti enigmatica. I processi che portano alla combinazione di quark e gluoni per formare particelle osservabili sono ancora molto misteriosi e poco compresi.
Aggiungendo ulteriore complessità, all’interno dei protoni compaiono costantemente quark e gluoni virtuali, particelle che esistono temporaneamente a causa delle fluttuazioni quantistiche. Questo solleva la difficile domanda su quali quark e gluoni siano effettivamente presenti in un protone. Gran parte della ricerca sulla QCD si concentra nel rispondere a domande fondamentali come queste, inclusa la conciliazione tra teorie meccaniche quantistiche e relatività. Recenti progressi nella QCD teorica hanno aperto la strada per collegare la struttura interna di particelle come i protoni ai dati provenienti dagli esperimenti di collisione di particelle ad alta energia, offrendo nuove intuizioni su questi misteri.
Mentre i teorici sviluppano nuove idee sulla QCD, altri ricercatori pianificano esperimenti per testare tali concetti. Questi test coinvolgono la collisione di particelle come elettroni e protoni ad alte energie e l’analisi dei risultati ottenuti. Estrapolando all’indietro nel tempo, i fisici utilizzeranno i resti delle collisioni per inferire informazioni sulla struttura delle particelle originali. Tuttavia, le stesse difficoltà teoriche che hanno motivato questi studi hanno lasciato irrisolta una domanda chiave: come collegare la fisica delle collisioni specifiche con la fisica della struttura interna delle particelle stesse? Il recente lavoro fornisce gli strumenti necessari per risolvere questa domanda, tenendo conto anche delle sottigliezze teoriche.
Gran parte del lavoro sperimentale relativo all’estrazione della struttura a quark e gluoni dei protoni avviene presso acceleratori di particelle come il Thomas Jefferson National Accelerator Facility e il Relativistic Heavy Ion Collider, e in futuro presso l’Electron Ion Collider. Una grande parte della ricerca attuale sulla struttura del protone, sia teorica che sperimentale, coinvolge l’identificazione, l’estrazione e l’analisi delle distribuzioni di stati legati di quark e gluoni nel protone, tracciando il loro movimento e comprendendo come questo si relazioni alle proprietà osservate complessive del protone come lo spin e la massa. In passato, i ricercatori hanno riscontrato incongruenze nel modo in cui i fisici combinavano la teoria fondamentale della QCD con lo studio dei dati. I nuovi risultati teorici forniscono una ricetta chiara e aumentano la fiducia che i dati raccolti in futuri esperimenti possano essere interpretati in modo affidabile.
Riferimenti:
- Fenomenologia delle distribuzioni di partoni TMD nella produzione di bosoni Drell-Yan e Z0 in un approccio orientato alla struttura di un adrone di F. Aslan, M. Boglione, J. O. Gonzalez-Hernandez, T. Rainaldi, T. C. Rogers e A. Simonelli, 11 ottobre 2024, Physical Review D DOI: 10.1103/PhysRevD.110.074016
- Risoluzione del problema del consistente grande impulso trasverso nelle TMD di J. O. Gonzalez-Hernandez, T. Rainaldi e T. C. Rogers, 23 maggio 2023, Physical Review D DOI: 10.1103/PhysRevD.107.094029
- Combinare la dipendenza dall’impulso trasverso non perturbativo con l’evoluzione TMD di J. O. Gonzalez-Hernandez, T. C. Rogers e N. Sato, 2 agosto 2022, Physical Review D DOI: 10.1103/PhysRevD.106.034002
Questo lavoro è stato supportato dall’Ufficio della Scienza del Dipartimento dell’Energia (DOE), Ufficio di Fisica Nucleare. Questo lavoro è stato supportato anche dal contratto DOE in base al quale Jefferson Science Associates, LLC gestisce il Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Il supporto è stato inoltre fornito dal programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell’Unione Europea.
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