Un esperimento di oltre 10 anni ha finalmente svelato l’uragano di particelle che si agita all’interno dei neutroni, gettando le basi per risolvere un enigma fondamentale della materia. I dati provenienti dal Rivelatore Centrale di Neutroni presso l’Impianto di Accelerazione Nazionale Thomas Jefferson del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (TJNAF) stanno già contribuendo alla mappatura quantistica del motore del neutrone, un risultato di grande rilevanza per lo studio dei nucleoni, come sottolinea Silvia Niccolai, direttrice di ricerca presso il Centro Nazionale Francese per la Ricerca Scientifica.
Il nucleo di un atomo, comunemente considerato come un insieme di protoni e neutroni, è in realtà un intricato intreccio di particelle ancora più piccole chiamate quark, che interagiscono attraverso lo scambio di gluoni. I protoni sono formati da due quark di tipo ‘up’ e uno di tipo ‘down’, mentre i neutroni sono composti da due quark di tipo ‘down’ e uno di tipo ‘up’. Questa struttura, seppur apparentemente ordinata, è in realtà caratterizzata da un caos quantistico di particelle e antiparticelle che si creano e si annullano continuamente.
Per studiare i movimenti e le distribuzioni di quark e gluoni all’interno dei nucleoni, i fisici hanno tradizionalmente utilizzato acceleratori di particelle per bombardare nuclei atomici con elettroni e osservare le interazioni risultanti. Per semplificare la descrizione di tali fenomeni, i teorici si riferiscono a unità di quark e gluoni chiamate partoni, che operano all’interno di distinti quadri quantistici.
Negli ultimi decenni, gli esperimenti condotti con l’ampio spettrometro CEBAF presso il TJNAF hanno permesso di decifrare il mistero dei partoni all’interno dei protoni, risolvendo enigmi legati alla massa e alle dimensioni dei nucleoni. Tuttavia, i neutroni hanno rappresentato una sfida maggiore, poiché le particelle elettricamente neutre emettono elettroni ad angoli che rendono difficile la loro rilevazione tramite i rivelatori convenzionali.
Per affrontare questa difficoltà, è stato progettato e installato un nuovo rivelatore in collaborazione con il CNRS, che è stato testato tra il 2019 e il 2020 dopo essere stato completato nel 2017. Durante le fasi iniziali, il rivelatore ha dovuto affrontare la contaminazione dei dati da parte di protoni estranei, risolta grazie a un filtro di apprendimento automatico appositamente progettato.
Il primo studio condotto utilizzando i dati raccolti ha permesso di porre vincoli significativi sulla distribuzione partonica generalizzata (GPD) E, una delle meno comprese distribuzioni di partoni nei neutroni. Confrontando i risultati ottenuti con quelli precedenti sui protoni, i ricercatori hanno individuato differenze cruciali che hanno contribuito a distinguere la GPD E da altri modelli simili.
La GPD E riveste un’importanza fondamentale poiché fornisce informazioni cruciali sulla struttura di spin dei nucleoni, un concetto analogo al momento angolare nella meccanica quantistica. Le misurazioni effettuate in passato hanno rivelato che gli spin dei quark contribuiscono solo fino al 30% allo spin totale del nucleone, portando a una sorta di “crisi dello spin” che richiede ulteriori approfondimenti.
La possibilità di confrontare dettagliatamente i meccanismi che regolano protoni e neutroni potrebbe portare a nuove e affascinanti scoperte nel campo della meccanica quantistica, aprendo la strada a una maggiore comprensione della struttura fondamentale della materia. Questa ricerca è stata pubblicata su Physical Review Letters.
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