Dal CERN un’importante misura dell’interazione forte
Dall'esperimento COMPASS la prima misura della polarizzabilità del pione, che conferma le previsioni teoriche. I risultati pubblicati su Physics Review Letters
RICERCA – Ormai da tempo anche i non fisici sanno che gli atomi non sono i fondamenti ultimi della materia. Ci sono i famosi quark, che aggregandosi formano quelli che noi conosciamo come protoni e neutroni, ovvero il nucleo atomico. A tenere uniti questi quark nel nucleo atomico ci pensa una forza particolare, detta interazione forte, chiamata così perché è la più forte delle quattro forze conosciute in natura, che sono la gravità, l’elettromagnetismo e l’interazione debole, la responsabile del decadimento beta, che trasforma un neutrone in un protone emettendo elettroni e neutrini. Secondo il modello standard, queste che noi oggi conosciamo come i quattro pilastri ultimi di tutti i fenomeni fisici, in realtà si sarebbero separati l’uno dall’altro con il passare del tempo dopo il Big Bang: dapprima si sarebbe separata la gravità, poi durante l’epoca detta inflazionistica l’interazione forte, lasciando una forza elettrodebole, e infine la forza elettromagnetica e quella debole si sarebbero a loro volta separate, il tutto entro un tempo che ci sembra difficile riuscire anche solo a contare, circa 10^-10 secondi dopo il Big Bang.
Per capire quanto è intensa l’interazione forte pensiamo che il suo valore è stimato essere circa 100 volte quello della forza elettromagnetica, 10.000 volte più grande dell’interazione debole e addirittura 10^39 volte quello della gravità. In termini assoluti due quark distanti 10^-15 metri l’uno dall’altro (che equivale a 1 fermi) subiscono forza pari ad un peso di 16 tonnellate mentre la forza elettrostatica nella stessa condizione è pari ad una decina di chili. Il punto è che come accade sovente in fisica, è facile avere delle stime, ma molto meno delle misure precise di una grandezza.
Proprio qui entra in gioco la recente scoperta avvenuta al CERN grazie all’esperimento COMPASS, e pubblicata nientemeno che su Physics Review Letters. La prima misura della polarizzabilità del pione, che è una particella subatomica composta da un quark e un antiquark. La polarizzabilità non è altro che il modo in cui i pioni possono deformarsi sotto l’azione di intensi campi elettromagnetici e rappresenta una misura diretta della forza che tiene uniti i quark. Riuscire a misurare questa proprietà significa quindi fare un altro passo nella validazione del modello teorico di riferimento che descrive l’interazione forte.
“La Cromodinamica Quantistica (QCD) è teoria che descrive le interazioni forti e che permette una spiegazione quantitativa di un’ampia serie di fenomeni, ma a tutt’oggi non è possibile descrivere a partire da tale teoria la struttura interna degli adroni (delle particelle cioè che sono soggette alle interazioni forti) così come il fenomeno dell’adronizzazione ovvero della creazione di adroni di un quark espulso dal protone” spiega Andrea Bressan, uno dei ricercatori italiani che ha lavorato al progetto COMPASS. “Tali fenomeni appartengono al regime non perturbativo della QCD, dove dobbiamo usare modelli derivati dalla teoria fondamentale e validare tali modelli con misure sperimentali. La misura della polarizzabilità del pione è particolarmente interessante perché il pione è il più semplice aggregato di quark, composto da una coppia quark-antiquark e la misura di quanto si deforma ci permette una stima diretta dell’interazione forte tra queste particelle ed una valutazione di quanto bene siamo in grado descrivere l’interazione con il modello descritto della teoria della perturbazione chirale (ChPT). Grazie ai potenti mezzi presenti al CERN siamo riusciti a misurare la deformabilità del pione in modo estremamente preciso. In particolare la polarizzabilità si esprime come fosse un volume (si osserva guardando l’unità di misura utilizzata, i metri cubi), ottenendo un valore di 2*10^-4 fermi^3, che è in buon accordo con la previsione di 2.7*10^-4 fm^3 fornita dalla ChPT.
Interessante è anche lo stesso apparato sperimentale. Per eseguire l’esperimento si è fatto incidere un fascio di pioni negativi di alta energia su un bersaglio di nichel. Il fascio di pioni, che hanno una vita media di solo 26 miliardesimi di secondo, è prodotto facendo a partire da un fascio primario di protoni mandato a incidere protoni su un bersaglio di berillio, e selezionando le particelle prodotte dall’interazione, tra cui i pioni, sono le più numerose. Dei miliardi di pioni che hanno raggiunto il bersaglio sono state isolate 63 mila interazioni in cui il forte campo elettrico generato dal nucleo di nichel ha deformato i pioni, facendo cambiare loro traiettoria e facendo emettere un fotone. Proprio misurando l’energia di questi fotoni emessi e la deflessione dei pioni, cioè il loro cambiamento di direzione, gli scienziati hanno potuto ottenere una misura della polarizzabilità.
In tutto questo l’essere stati al CERN ha avuto un ruolo non secondario. “Operiamo su una linea di fascio estratta dal superprotosincrotrone (SPS) utilizzato per alimentare di protoni il large hadron collider LHC e per diversi altri esperimenti” racconta Bressan. “La nostra linea di fascio è estremamente flessibile e ci ha consentito oltre alla misura qui descritta di ottenere un’importante serie di risultati sia di struttura di spin del protone che di spettroscopia adronica. In questa misura ci ha inoltre consentito di validare l’apparato eseguendo calibrazioni con un fascio di muoni, particelle puntiformi, quindi con polarizzabilità nulla, con le stesse caratteristiche degli elettroni ma con una massa di circa 200 volte maggiore. Tali caratteristiche si possono trovare unite solo – conclude Bressan – nel complesso sistema di acceleratori del CERN.”
“Per quanto riguarda il futuro, in realtà questa nostra ricerca rientra in un lavoro di ampio respiro la cui prima fase è stata eseguita tra il 2002 e il 2011, mentre la seconda fase, approvata al CERN nel 2011 si focalizza su quattro misure: la prima è una misura ancora più precisa della polarizzabilità sia elettrica che magnetica del pione; il secondo progetto misura gli effetti della polarizzazione trasversa del protone sull’annichilazione quark-antiquark cercando coppie di muoni nello stato finale. Infine, due misure di deep inelastic scattering seminclusivo e di deep virtual Compton scattering che forniranno una tomografia in 3D della struttura interna del protone, una linea di ricerca verrà seguita ancora sull’esperimento COMPASS ai laboratori del CERN.”
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Crediti immagine: CERN
