La struttura segreta del protone: la scoperta che rivoluziona la fisica della materia

Siamo abituati a pensare ai mattoni fondamentali dell’universo come a entità semplici, quasi come delle palline rigide e indivisibili. Per decenni, i libri di testo di fisica hanno descritto il protone — una delle particelle fondamentali che compongono i nuclei di tutti gli atomi della materia — in modo estremamente lineare: un oggetto contenente tre quark principali legati tra loro. Tuttavia, una straordinaria e recente ricerca condotta presso il Brookhaven National Laboratory degli Stati Uniti sta dimostrando che la realtà è infinitamente più complessa e affascinante di quanto immaginato finora.

I dati raccolti dal rivelatore STAR, attivo presso l’acceleratore di particelle RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), stanno mettendo in discussione un pilastro della fisica delle particelle: la convinzione che una delle proprietà quantistiche fondamentali della materia, il numero barionico, risieda esclusivamente nei tre quark di valenza del protone. I risultati suggeriscono invece che i gluoni, le particelle responsabili di “incollare” i quark tra loro, svolgano un ruolo da protagonisti in questo processo.

Che cos’è il numero barionico e perché è fondamentale per la nostra esistenza?

Per comprendere l’impatto di questa scoperta, è necessario fare un piccolo passo indietro e capire che cos’è il numero barionico. In fisica nucleare, i barioni sono particelle composte da tre quark, proprio come i protoni e i neutroni che costituiscono noi stessi, il nostro pianeta e le stelle.

Il numero barionico è una sorta di “carta d’identità” quantistica conservata rigorosamente nell’universo. Questa regola di conservazione impone che il numero totale di barioni debba rimanere invariato prima e dopo qualsiasi reazione o collisione ad alta energia.

Come ha spiegato Nicole Lewis, fisica del progetto STAR e ricercatrice della Rice University, questa proprietà ha conseguenze cosmiche e pratiche monumentali:

• L’origine dell’universo: Fin dal Big Bang, il numero netto di protoni e neutroni non è mai cambiato nel tempo. Comprendere questo principio è legato a uno dei più grandi misteri della scienza: perché l’universo attuale è fatto quasi interamente di materia e non di antimateria?

• La stabilità della materia: La conservazione del numero barionico impedisce al protone di decadere spontaneamente in particelle più leggere. Si stima che la vita di un protone sia più lunga dell’età stessa dell’universo, una caratteristica che permette ai nuclei atomici di esistere stabilmente e alla materia di formare la vita.

Nel modello semplificato (o “ingenuo”) della fisica, a ogni protone viene assegnato un numero barionico pari a +1, e si è sempre ipotizzato che ciascuno dei tre quark di valenza ne trasportasse esattamente un terzo (1/3). Ma le nuove osservazioni dicono che le cose non stanno affatto così.

La giunzione gluonica a forma di Y: il vero “collante” della materia

All’interno di un protone non ci sono soltanto tre quark immobili. Come ricordato dal ricercatore Tommy Tsang, l’interno di un protone è un “ambiente” estremamente dinamico e turbolento, popolato da una miriade di gluoni che interagiscono continuamente e da coppie di quark e antiquark che nascono e scompaiono nel vuoto quantistico.

Già negli anni ’70, e poi più formalmente nel 1996 grazie alle intuizioni del fisico teorico Dmitri Kharzeev, fu ipotizzata l’esistenza di una particolare struttura: la “giunzione barionica” (o giunzione gluonica). Si tratta di una configurazione a forma di “Y” formata dai gluoni, che si snoda al centro del protone per collegare visivamente e fisicamente i tre quark di valenza.

La grandiosa intuizione teorica — oggi finalmente supportata dalle misurazioni sperimentali di STAR — era che fosse proprio questa giunzione di gluoni a forma di Y a trasportare il numero barionico, e non i singoli quark messi insieme.

Il “test della carica elettrica”: come è stato svelato l’inganno

Per verificare questa teoria, i ricercatori della collaborazione STAR guidati da scienziati del calibro di Zhangbu Xu e Zebo Tang hanno studiato le collisioni di nuclei atomici ad altissima energia prodotte dal RHIC.

Quando due nuclei si scontrano quasi alla velocità della luce, l’impatto libera enormi quantità di energia che si convertono istantaneamente in migliaia di nuove particelle. Analizzando i detriti di queste collisioni, i fisici hanno notato un fatto strano: un netto e inaspettato eccesso di barioni emessi lateralmente (ovvero in direzione perpendicolare rispetto al fascio originale di particelle).

Se il numero barionico fosse stato trasportato esclusivamente dai tre quark di valenza, per ritrovare quel numero di barioni al centro del rivelatore sarebbe stato necessario che tutti e tre i quark del protone si fermassero contemporaneamente nell’impatto per poi rigenerare materia verso l’esterno.

Per capire quanti quark venissero effettivamente “fermati” durante lo scontro, il team ha utilizzato come spia un’altra proprietà fondamentale dei quark: la carica elettrica. I risultati sono stati clamorosi:

• I calcoli basati sulla carica elettrica hanno mostrato che i quark fermatisi nella collisione erano troppo pochi per giustificare la massa di barioni rilevata.

• Il rivelatore ha registrato circa il doppio dei barioni rispetto a quanto prevedibile basandosi solo sulla presenza dei quark di valenza.

Questo “ammanco” ha trovato un’unica risposta credibile: c’era qualcos’altro che trasportava il numero barionico e che si fermava più facilmente durante l’impatto. Quel “qualcosa” è proprio la giunzione di gluoni.

Come funziona la collisione: il “magnete” di gluoni

Ad altissime energie, i gluoni all’interno del protone tendono a moltiplicarsi e a dividere tra loro la quantità di moto totale della particella. Di conseguenza, come spiegato dal fisico Prithwish Tribedy, mentre i quark di valenza mantengono un’enorme velocità e tirano dritto lungo la traiettoria originale del fascio, la giunzione a Y di gluoni diventa relativamente “più lenta” ed è molto più facile da arrestare nell’impatto.

Quando la giunzione viene frenata e separata dai suoi quark originali, non scompare. Rimanendo bloccata al centro della collisione, si comporta come un vero e proprio “magnete” quantistico a forma di Y: cattura tre nuovi quark creati dal vuoto energetico dell’impatto e dà origine a un nuovo barione che schizza perpendicolarmente verso l’esterno. I quark originali, invece, proseguono la loro corsa legandosi ad altre particelle minori (i mesoni).

Questo elegante meccanismo spiega perfettamente perché nelle collisioni si osservino così tanti barioni perpendicolari e conferma che la struttura portante della materia non è legata alle singole particelle di materia (i quark), ma alla rete di forza che le unisce (i gluoni).

Considerazioni personali: la bellezza della complessità e il valore della ricerca fondamentale

La portata di questa scoperta va ben oltre la correzione di una nota a margine nei manuali di fisica quantistica. Insegna una lezione profonda sul funzionamento della natura e sul modo in cui facciamo scienza:

1. Il valore della “colla” rispetto ai “mattoni” Nella cultura occidentale siamo storicamente portati a cercare la sostanza delle cose negli oggetti individuali: cerchiamo la particella, il singolo componente, il “mattone”. La scoperta che il numero barionico risieda nella giunzione gluonica e non nei quark ci mostra una verità quasi filosofica: l’identità e le proprietà fondamentali della materia non risiedono tanto nei singoli elementi costitutivi, quanto nella struttura di relazioni che li tiene insieme. La “colla” si rivela essere più importante dell’oggetto che sta incollando.

2. L’umiltà del modello scientifico Per decenni, il modello a tre quark ha funzionato egregiamente per spiegare la maggior parte dei fenomeni quotidiani. Era semplice, elegante, facile da insegnare. Ma la scienza non si accontenta mai delle risposte eleganti se queste nascondono dettagli non spiegati. Accettare che l’interno del protone sia un “oceano” turbolento e che le nostre descrizioni scolastiche fossero una drastica semplificazione è un grande atto di umiltà scientifica. Ci ricorda che la realtà è costantemente più ricca e bizzarra di qualsiasi nostro modello matematico.

3. Perché investire nella ricerca fondamentale? In un mondo spesso schiacciato dalla necessità di ritorni economici immediati, esperimenti come quelli condotti al RHIC del Brookhaven Lab — durati decenni, con migliaia di collisioni analizzate e il contributo di istituzioni di tutto il pianeta — dimostrano la potenza del puro desiderio umano di conoscenza. Comprendere perché la materia esiste, perché non è partita in fumo insieme all’antimateria dopo il Big Bang e cosa tiene davvero insieme i nostri atomi non produce un profitto immediato, ma arricchisce il patrimonio culturale e concettuale dell’intera umanità.

In ultima analisi, ridefinire il protone significa ridefinire la nostra comprensione dell’universo originario e della materia di cui siamo fatti. Questa scoperta apre una nuova era per la cromodinamica quantistica, dimostrando ancora una volta che più guardiamo nel piccolo, più l’universo si rivela infinitamente grande nelle sue meraviglie.

Riassunto dell’editore

I barioni, particelle contenenti tre quark, hanno un numero barionico pari a 1. Il numero barionico totale si è conservato da poco dopo il Big Bang. Tuttavia, non è ancora chiaro cosa sia all’interno dei barioni, se i quark o i gluoni che li legano, a determinare il numero barionico. La collaborazione STAR presenta dati provenienti da tre tipi di collisioni che possono aiutare a distinguere tra i due scenari (vedi la prospettiva di Li). I dati sfavoriscono l’ipotesi che i quark siano i portatori del numero barionico. —Jelena Stajic

 

Abstract

Si è scoperto che il numero quantico barionico si è conservato fin dalla bariogenesi nell’Universo primordiale. Convenzionalmente, si ritiene che ogni quark di valenza con carica frazionaria porti un terzo del numero barionico. Un’ipotesi alternativa postula che il numero barionico sia invece portato da una giunzione barionica, una configurazione gluonica non perturbativa a forma di Y. Nessuno dei due scenari è stato verificato sperimentalmente. La Collaborazione STAR riporta misurazioni a rapidità intermedia del numero barionico (B) in funzione della differenza del numero di carica elettrica (∆Q) nelle collisioni nucleari isobare e della resa netta di protoni in funzione della rapidità nelle collisioni fotonucleari. Si osserva un rapporto B/∆Q maggiore e una resa netta di protoni meno asimmetrica rispetto a quanto previsto dai modelli che assegnano il numero barionico ai quark di valenza. Questi risultati, corroborati da precedenti misurazioni nelle collisioni Au+Au, sfavoriscono il modello dei quark di valenza.

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