Intro: una domanda fondamentale

Quando protoni e nuclei all’interno del Large Hadron Collider si infrangono direttamente l’uno nell’altro, la loro energia può trasformarsi in nuovi tipi di materia come il famoso bosone di Higgs, noto per la sua associazione con un campo che dà massa alle particelle fondamentali. Ma quando i nuclei si sfiorano l’un l’altro, succede una cosa diversa: generano alcuni dei campi magnetici più forti dell’universo. 

Questi campi magnetici ultra intensi stanno permettendo ai fisici nucleari di scrutare all’interno degli atomi per rispondere a una domanda fondamentale: in che modo i protoni ottengono la maggior parte della loro massa?

I protoni sono costituiti da particelle fondamentali chiamate quark e gluoni. I quark nei protoni sono molto leggeri e, per quanto ne sanno gli scienziati, i gluoni non hanno alcuna massa. Tuttavia i protoni sono molto più pesanti delle masse combinate dei tre quark che contengono ciascuno.

“C’è molta pubblicità sull’origine della massa a causa del bosone di Higgs”, afferma Dmitri Kharzeev, teorico nucleare alla Stony Brook University e al Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell’Energia. “Ma l’Higgs è responsabile della massa dei quark. Il resto ha un’origine diversa“.

L’origine della massa

I quark nei protoni sono molto leggeri, rappresentano solo circa l’1% della massa complessiva del protone. La spiegazione teorica plausibile, ma ancora non dimostrata, di questa discrepanza è legata al modo in cui i quark si muovono nel vuoto.

Questo vuoto non è vuoto, afferma Sergei Voloshin, professore alla Wayne State University e membro dell’esperimento ALICE al CERN. Il vuoto è in realtà riempito di campi ondulati che costantemente producono coppie di particelle e antiparticelle che appaiono e scompaiono. 

I tre quark che danno la loro identità ai protoni si muovono per sempre con queste eteree coppie particella-antiparticella. Quando uno di questi quark si avvicina troppo a un antiquark prodotto dal vuoto, viene annichilito e scompare in un’esplosione di energia.

Ma il protone non appare e muore quando il suo quark viene eliminato dall’esistenza; piuttosto, il quark partner della coppia di particelle e antiparticelle prodotte dal vuoto interviene e prende il posto del quark annichilito (una trama distorta direttamente da The Talented Mr. Ripley). 

Gli scienziati pensano che questo incessante interscambio di quark sia responsabile di far apparire un protone più massiccio della somma dei suoi quark. “Il novantanove per cento della massa potrebbe provenire da questo processo di ribaltamento della chiralità nel vuoto“.

Una questione di mano

Dall’esterno, non sembra cambiare molto in questo scambio. Il quark annichilito viene immediatamente sostituito da un gemello apparentemente identico, rendendo questo processo difficile da osservare. Fortunatamente per gli scienziati dell’LHC, non sono esattamente identici: i quark, come le persone, possono essere mancini o destrorsi, un concetto chiamato chiralità.

La chiralità è correlata a una proprietà della meccanica quantistica chiamata spin e si traduce approssimativamente nel fatto che il quark giri in senso orario o antiorario mentre si muove lungo una particolare direzione attraverso lo spazio. (pensa alle perle che ruotano mentre scorrono lungo un filo.) 

A causa delle proprietà del vuoto, il quark sostitutivo avrà sempre la mano opposta rispetto all’originale. Quel costante lancio di quark da una mano all’altra è il modo in cui i teorici spiegano la maggior parte della massa del protone.

Il novantanove percento della massa potrebbe provenire da questo processo di chiralità che si ribalta nel vuoto“, afferma Kharzeev. “Quando saliamo su una scala, il numero che vediamo potrebbe essere il risultato di queste transizioni che cambiano la chiralità“.

Fisica dentro un campo magnetico

Nel 2004, quando Kharzeev era a capo del gruppo di teoria nucleare al Brookhaven Lab, ebbe un’idea di come potevano cercare sperimentalmente prove di ribaltamento della chiralità dei quark, che non erano mai state osservate. 

Poiché i quark sono carichi, dovrebbero interagire con un campo magnetico. “Normalmente, non pensiamo mai a questa interazione, perché i campi magnetici che possiamo creare in laboratorio sono estremamente deboli rispetto alla forza delle interazioni dei quark tra loro“, afferma Kharzeev. “Tuttavia, ci siamo resi conto che quando gli ioni carichi si scontrano, sono accompagnati da un campo elettromagnetico e questo campo può essere utilizzato per sondare la chiralità dei quark“.

In seguito a calcoli matematici, hanno scoperto che gli ioni caricati positivamente, che si socntrano all’interno di un collettore di particelle come l’LHC, genereranno un campo magnetico di due ordini di grandezza più forte di quello sulla superficie del campo magnetico più forte che esiste. Ciò basterebbe a scavalcare l’attrazione reciproca dei quark.

Misurare la forza del campo magnetico e la sua durata è stato l’obiettivo principale di una recente analisi dei dati ALICE“, afferma Voloshin. “Lo studio ha prodotto risultati inaspettati, ma erano ancora coerenti con l’esistenza del forte campo magnetico richiesto per l’ordinamento dei quark in base alla loro direzione“.

All’interno di un forte campo magnetico, il movimento di un quark non è più casuale. Il campo magnetico ordina automaticamente i quark in base alla loro chiralità, guidandoli verso il polo nord o sud del campo.

Una ricca e calda zuppa di quark

È quasi impossibile catturare un quark lanciando la sua chiralità all’interno di un protone, dice Kharzeev. “All’interno di un protone, i quark “mancini” si trasformano in quark per “destrosi” e i quark per destrosi si trasformano in quark per mancini“, afferma. “Vedremo sempre un misto di quark per mancini e destrorsi“.

Per studiare se si verifica il capovolgimento della chiralità dei quark, i fisici devono rilevare numerosi e grandi squilibri tra il numero di quark per destrimani e mancini. 

Fortunatamente, le collisioni di nuclei pesanti producono le condizioni perfette per i quark per cambiare la loro manualità. Quando due nuclei si colpiscono l’un l’altro ad alta velocità, i loro protoni e neutroni si fondono in un plasma di quark-gluone, che è uno dei materiali più caldi e densi che esistano nell’universo. I quark liberati che nuotano attraverso questo plasma possono spostare facilmente le loro identità.

“È come i salatini prima che siano cotti“, dice Kharzeev. “Puoi facilmente modellare l’impasto e cambiare la torsione“. 

Il vuoto dello spazio non è omogeneo: ci sono nodi di campo gluonico che preferibilmente torcono questi quark pastosi in un modo o nell’altro. Se si sta verificando il capovolgimento della chiralità, gli scienziati dovrebbero rilevare uno squilibrio nel numero di quark mancini e destrorsi che fuoriescono dal plasma.

La media su tutte le collisioni dovrebbe essere la stessa“, afferma Kharzeev, “ma le fluttuazioni da una collisione all’altra dovrebbero essere molto grandi; dovremmo vedere alcuni plasmi di quark-gluoni che sono preferibilmente destrorsi e altri che sono preferibilmente mancini“. A causa della presenza del campo magnetico, la manualità del plasma si traduce in un’asimmetria di carica osservabile delle particelle prodotte: questo è “l’effetto magnetico chirale” proposto da Kharzeev.

Poco dopo Kharzeev ha proposto l’idea di ordinare i quark in base alla loro manualità nel forte campo magnetico dei nuclei in collisione, Voloshin ha progettato un modo per testare questa teoria usando l’esperimento ALICE, la cui partecipazione statunitense è finanziata dal Dipartimento dell’Energia. I risultati iniziali mostrano l’evidenza che i quark si ordinano secondo la chiralità. Ma è necessario svolgere ulteriori ricerche prima che gli scienziati possano esserne sicuri.

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