Il nome atomo deriva dall'antica parola greca "ἄτομος", che si traduce come indivisibile. SU
Il protone è uno dei tre subatomici stabiliparticelle (le altre due sono elettroni e neutroni) che sono gli elementi costitutivi degli atomi. Questo nome (dal greco antico "πρῶτος" - primo) fu proposto da Ernest Rutherford nel 1920. In una serie di esperimenti, un fisico britannico dimostrò che il "nucleo dell'idrogeno" (l'elemento chimico più leggero) poteva essere estratto dall'azoto facendo collidere una particella alfa (il nucleo di un atomo di elio).
Più di un secolo dopo RutherfordDopo aver scoperto la particella carica positivamente nel cuore di ogni atomo, i fisici stanno ancora cercando di capire cosa sia un protone. Gli insegnanti scolastici di solito li descrivono come palline anonime con un'unità di carica elettrica positiva. A un livello più complesso, queste particelle sono rappresentate come un fascio di tre quark interconnessi: due su e uno giù.
Ma anche questo modello è una grossolana semplificazione.Decenni di ricerca hanno rivelato e continuano ad esplorare un quadro più profondo che è troppo bizzarro per essere pienamente trasmesso in parole o immagini.
Illustrazione artistica del cambiamento delle idee sulla composizione del protone. Immagine: Laboratorio nazionale di Brookhaven
Come spezzare un protone e studiarne la composizione
La prova che un protone contienemolte particelle, fu ottenuto per la prima volta presso lo SLAC National Accelerator Laboratory di Stanford alla fine degli anni '60 del secolo scorso. Negli esperimenti precedenti, i ricercatori li bombardavano con elettroni e li osservavano rimbalzare come palle da biliardo.
All'acceleratore di particelle SLAC, i fisici ci sono riusciti per la prima voltaaccelerare gli elettroni abbastanza forte da modificare i risultati delle osservazioni. Gli elettroni, nel processo di diffusione anelastica profonda, colpiscono il protone abbastanza forte da romperlo e rimbalzano su frammenti puntiformi del protone chiamati quark.
Gli autori di questa scoperta, che è stata la primaprova dell’esistenza dei quark, hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica nel 1990. E da allora gli scienziati di tutto il mondo hanno condotto centinaia di esperimenti di dispersione. Fanno inferenze su vari aspetti dell'interno di un oggetto regolando l'intensità del bombardamento e scegliendo quali particelle sparse studiare dall'esperimento.
Utilizzando elettroni ad alta energia, fisicipuò rilevare dettagli più fini del protone. Pertanto, l'energia dell'elettrone stabilisce la massima risoluzione dell'esperimento di scattering anelastico profondo. Quanto più potenti sono i collisori, tanto più completo è il quadro che forniscono sulla composizione del protone.
Anche collisori ad energia più elevataprodurre una gamma più ampia di risultati di collisione, consentendo ai ricercatori di selezionare diversi sottoinsiemi per l'analisi. Questa flessibilità si è rivelata fondamentale per comprendere i quark, che si muovono all’interno di un protone con diverse quantità di moto.
Misurando l'energia e la traiettoria di ciascuno sparsoelettrone, i ricercatori possono dire su quale quark è rimbalzato. L’analisi statistica di molti esperimenti ripetuti, come un censimento della popolazione, “racconta” ai ricercatori come è distribuita la quantità di moto di un protone o di quali quark è composto.
Più di soli tre quark
Primi esperimenti al collisore SLACconfermò la teoria precedentemente sviluppata da Murray Gell-Mann e George Zweig sulla composizione del protone da tre quark. Gli elettroni dopo la collisione si dispersero come se si fossero scontrati in tre particelle separate, ciascuna delle quali trasportava un terzo della quantità di moto del protone.
Descrive il modello a quark di Gell-Mann e Zweigprotone come particella composta da due quark “up” con carica elettrica +2/3 ciascuno e un quark “down” con carica -1/3, che dà la carica totale del protone +1.
Ma il modello a quark è una semplificazione eccessiva,ha gravi carenze. Ad esempio, non funziona quando si tratta di rotazione (indietro) protone, una proprietà quantistica simile al momento angolare. Questa particella subatomica ha uno spin pari a ½, così come ciascuno dei suoi quark up e down.
Inizialmente, i fisici presumevano che inNei calcoli che ripetono la semplice aritmetica delle cariche, metà delle unità dei due quark up meno la frazione del quark down dovrebbe essere uguale alla metà dell'unità del protone nel suo complesso. Ma nel 1988, la European Muon Collaboration calcolò che gli spin dei quark ammontano a molto meno della metà.
Allo stesso modo, gli studi hanno dimostrato che le massedue quark up e un quark down costituiscono solo circa l'1% della massa totale del protone. Ciò significava che al suo interno doveva esserci qualcos'altro nascosto: altre particelle elementari che avrebbero spiegato le proprietà di questa particella subatomica.
Modello semplificato della struttura del protone. Animazione: Laboratorio nazionale di Brookhaven
Molti quark e antiquark in una particella
Acceleratore di particelle HERA in tedescoAl centro di ricerca DESY di Amburgo, dal 1992 al 2007, ha studiato le collisioni di elettroni e protoni con forze circa mille volte maggiori di quelle raggiunte allo SLAC. Sebbene l’esperimento sia stato completato più di 10 anni fa, i fisici continuano ad analizzare i dati raccolti.
Negli esperimenti HERA, i fisici hanno potuto studiareelettroni che rimbalzano sui quark con momento estremamente basso, compresi quelli che trasportano solo lo 0,005% del momento totale del protone. Le osservazioni hanno confermato che la composizione del protone era molto più complessa rispetto al modello a quark di Gell-Mann e Zweig: gli elettroni rimbalzavano su un “vortice” di quark a basso momento e le loro controparti di antimateria, gli antiquark.
Una struttura complessa composta da molti quark e antiquark. Animazione: MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animazione
I risultati hanno confermato la complessità e la stravaganzateoria della cromodinamica quantistica. Questa è la teoria quantistica della forza forte che lega i quark. Questo modello attribuisce ai quark una nuova proprietà, convenzionalmente chiamata “colore”, e introduce nuove particelle, i gluoni, che trasportano la forza forte tra i quark.
Ogni quark e ogni gluone ne ha uno dei tretipi di cariche "colore", designate rosso, verde e blu. Queste particelle cariche di colore si attraggono naturalmente a vicenda e formano un gruppo, come un protone, i cui colori si sommano al bianco neutro.
Secondo la teoria della cromodinamica quantistica, i gluonipuò percepire momentanei scoppi di energia. Con questa energia, queste particelle decadono in un quark e un antiquark, ciascuno dei quali trasporta solo un piccolo impulso prima che la coppia si annichili e scompaia. È questo “mare” di gluoni di transizione, quark e antiquark che è stato scoperto dai sensibili rivelatori HERA.
Visualizzazione dei protoni. Animazione: MIT
Nuovo look affascinante
Collisioni estreme ad alta energiamostrano l'enorme varietà di quark, aniquerk e gluoni in cui decadono i protoni. Le collisioni a energia inferiore rivelano solo tre quark di valenza, che determinano il numero quantico della particella elementare. Ma una nuova ricerca mostra che a volte un protone agisce come una struttura composta da cinque quark.
Gruppo di ricerca guidato da Juan Rojodell’Istituto Nazionale di Fisica Subatomica nei Paesi Bassi e dell’Università di Amsterdam, la VU ha analizzato più di 5.000 immagini di protoni scattate negli ultimi 50 anni, utilizzando l’apprendimento automatico per determinare il movimento di quark e gluoni all’interno del protone.
Nuovo controllo trovato sfocatura dello sfondo attivataimmagini che erano sfuggite ai ricercatori precedenti. Nelle collisioni relativamente lievi che hanno rotto a malapena un protone, la maggior parte della quantità di moto era contenuta nei soliti tre quark: due quark up e uno down. Ma una piccola quantità di slancio, ha dimostrato lo studio, proveniva dal quark charm e dall’antiquark charmed. Si tratta di grandi particelle elementari, ciascuna delle quali è più di un terzo più pesante dell'intero protone.
Lo studio ha dimostrato che, sebbene ad altoMentre i gluoni possono dividersi in uno qualsiasi dei sei diversi tipi di quark nelle collisioni energetiche se hanno abbastanza energia, i quark charm e gli antiquark si formano molto più frequentemente, rendendoli evidenti anche in collisioni relativamente lievi.
In queste collisioni il protone appare comemiscela quantistica o sovrapposizione di più stati: un elettrone solitamente si scontra con tre quark leggeri. Ma di tanto in tanto incontrerà una "molecola" più rara di cinque quark, come un quark su, giù e charm raggruppati da un lato, e un quark up e un antiquark charm dall'altro.
Questi risultati non sono solo teoriciSenso. Ad esempio, è possibile generare una quantità sufficiente di energia quando i protoni della radiazione cosmica entrano in collisione con le particelle elementari negli atomi dell'atmosfera terrestre. Durante tali collisioni, i protoni possono decadere in quark charm e “spargersi” sulla Terra sotto forma di neutrini ad alta energia. Ciò potrebbe confondere gli osservatori che utilizzano queste particelle per studiare l’Universo lontano.
A cento anni dalla scoperta dei protoni, la fisicacontinuare a studiare la struttura interna di queste particelle elementari. La prossima generazione di esperimenti cercherà caratteristiche ancora più sconosciute. Ad esempio, i fisici del Brookhaven National Laboratory negli Stati Uniti pianificano di lanciare un collisore di elettroni-ioni negli anni ’30 e riprendere da dove HERA si era interrotto. Acquisiranno immagini ad alta risoluzione che consentiranno le prime ricostruzioni 3D del protone
Ciò dovrebbe aiutare i ricercatori in modo definitivodeterminare l'origine dello spin del protone e rispondere ad altre domande fondamentali sulla misteriosa particella che costituisce la maggior parte della materia ordinaria (barionica) circostante.
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In copertina: un'illustrazione artistica di tanti quark, antiquark e gluoni all'interno di un singolo protone. Immagine: D. Dominguez, CERN