Nel corso degli ultimi due decenni, la fisica dei fattori di forma gravitazionale del protone ha fatto progressi straordinari sia attraverso la teoria che attraverso gli esperimenti, offrendo un nuovo sguardo sulla struttura fondamentale di questa particella subatomica. Un recente articolo pubblicato nelle Reviews of Modern Physics offre una panoramica dettagliata di questi avanzamenti, mettendo in luce le intuizioni fisiche emerse dagli studi sui fattori di forma gravitazionale e analizzando la loro interpretazione in termini delle proprietà meccaniche del protone.
La forza che lega i quark all’interno del protone
Il principale scienziato del Jefferson Lab, Volker Burkert, sottolinea l’importanza di queste misurazioni, affermando che la “misurazione fornisce intuizioni sull’ambiente sperimentato dai costituenti del protone“. Questo avanza la nostra comprensione della forza che lega i quark all’interno del protone, svelando dettagli cruciali sulla natura della forza forte che tiene insieme queste particelle fondamentali.
Il protone, fondamentale per la stabilità della materia, è composto da tre quark legati insieme dalla forza forte. Burkert spiega che, “all’apice, questa è una forza di oltre quattro tonnellate che bisognerebbe applicare a un quark per tirarlo fuori dal protone.” Tuttavia, la natura stessa impedisce di separare singoli quark dal protone a causa di una proprietà chiamata colore, che implica che i quark vengano mescolati in combinazioni specifiche per renderli “senza colore” dall’esterno, requisito essenziale per l’esistenza del protone nello spazio.
La rivelazione di queste proprietà meccaniche del protone è possibile grazie a una serie di esperimenti condotti presso il Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) del Jefferson Lab. Questi esperimenti coinvolgono elettroni ad alta energia interagenti con il protone attraverso lo scambio di energia e momento angolare, rivelando dettagli sul comportamento del protone sotto l’influenza di forze esterne.
Le misurazioni
L’approccio innovativo alla misurazione delle proprietà meccaniche del protone è stato reso possibile dalla previsione formulata negli anni ’60 e dai dati raccolti negli ultimi due decenni. In particolare, l’esperimento si basa sulla diffusione Compton virtualmente profonda, dove un elettrone scambia un fotone virtuale con il protone. Questo processo, inizialmente sviluppato per l’analisi tridimensionale della struttura protonica, ha rivelato informazioni preziose sulla sua interazione con la gravità.
La connessione tra la diffusione Compton virtualmente profonda e l’interazione gravitazionale è stata prevista nel 1973 da Charles W. Misner, Kip S. Thorne e John Archibald Wheeler nel loro libro “Gravitazione”. Successivamente, Maxim Polyakov ha approfondito questa idea, stabilendo le basi teoriche che collegano il processo di diffusione Compton virtualmente profonda al fattore di forma gravitazionale del protone.
Il Dr. Burkert sottolinea che questa svolta teorica ha permesso per la prima volta di estrarre misure dirette della pressione, della forza normale e della forza di taglio del protone, ampliando significativamente la nostra comprensione delle sue proprietà meccaniche.
Questa ricerca non solo offre un’analisi dettagliata delle proprietà gravitazionali del protone, ma dimostra anche il potenziale delle sinergie tra teoria e sperimento nell’esplorare i misteri più profondi del mondo subatomico. Con ulteriori sviluppi in questo campo, potremmo essere destinati a scoperte ancora più rivoluzionarie, aprendo nuove porte nella nostra comprensione della fisica fondamentale.
