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Spin e Particelle

Negli ultimi venticinque anni è stato realizzato un intenso programma di esperimenti e sviluppi teorici a livello mondiale, teso alla comprensione della struttura dello spin interno del protone. Un eccezionale passo avanti è stato compiuto nel tentativo di svelare la struttura dello spin del protone mediante progressi nell’ambito delle tecniche sperimentali e dei modelli teorici. Tuttavia la soluzione al problema è ancora lontana.

Le particelle con spin diverso da zero si comportano come trottole ma, diversamente dalla classica trottola, lo spin di un protone e delle altre particelle elementari è un fenomeno quantistico intrinseco. Lo spin è responsabile di numerose proprietà fondamentali come separare le particelle che formano la materia (fermioni) da quelle che mediano le forze (bosoni) e di molti altri fenomeni come, fra tutti, il momento magnetico del protone e le fasi della materia a bassa temperatura.

Tuttavia, sebbene lo spin sia stato formulato per la prima volta da W.Pauli nel lontano 1925, non è ancora chiaro come lo spin totale si costruisca nelle particelle non-elementari (ad esempio protoni e neutroni). Questi ultimi, mattoni del nucleo atomico, sono descritti nella cromodinamica quantistica (QCD, la teoria dei quark e dei gluoni) come formati da tre quark di valenza confinati, un mare di coppie virtuali quark-antiquark e da gluoni, tutti circondati da una nuvola diffusa di pioni virtuali. In generale, lo spin di un protone è costituito dallo spin intrinseco dei quark di valenza e del mare (ognuno pari a ½) e dai gluoni (con spin 1) e i loro momenti angolari orbitali, in cui lo spin si misura in unità della costante di Planck. La sfida è capire come questi contributi si combinino per produrre lo spin totale ½ del protone o del neutrone. Inizialmente si credeva che i quark di valenza fossero responsabili della maggior parte dello spin totale di particelle non elementari così come accade per la carica elettrica, la massa e il momento. Sfortunatamente la questione è molto più complicata: il moto relativistico di tutti i quark e gluoni che formano le particelle composte indica che ognuna di loro presenta un momento orbitale dovuto al loro movimento e rotazione all’interno della particella.

La prima generazione di esperimenti di scattering ad alta energia quali EMC, HERMES, JLab e COMPASS, ha evidenziato che il contributo dei quark nel protone (30%) deriva interamente dai quark di valenza; c’è solo una piccola parte riconducibile al mare di quark-antiquark. Il contenuto dello spin del quark misurato da questi esperimenti potrebbe essere così esiguo per diverse ragioni. Ad esempio lo spin del gluone può schermare il contributo totale dello spin del quark attraverso un effetto quantistico definito “anomalia assiale” o un effetto topologico che può delocalizzare lo spin dei quark all’interno del protone cosicché esso risulti, in parte, invisibile all’interazione effettuata su quark singoli e localizzati.

Conseguentemente lo studio dello spin del gluone è utile per capire tanto il suo contributo al bilancio totale dello spin, quanto la portata dell’effetto dell’anomalia assiale. Una serie di esperimenti effettuati nell’ultimo decennio presso il CERN e il RHIC negli Stati Uniti hanno fornito preziose informazioni sullo spin del gluone nel protone. Lo spin e i contributi orbitali dipendono da quanto approfonditamente sondiamo il protone: quello che in un’indagine a bassa risoluzione appare come un singolo quark di valenza, risulta essere – con una risoluzione più elevata – un quark di valenza circondato da un mare di coppie quark-antiquark e da gluoni. Anche questi ultimi avranno spin e momento angolare orbitale. In ogni caso, anche aumentando la risoluzione e vedendo un numero più elevato di gluoni, il momento angolare – sommando tutti quelli delle particelle che costituiscono il protone – si conserva sempre.

Yi-Bo Yang, della University of Kentucky di Lexington, e i suoi colleghi hanno sviluppato, per la prima volta, simulazioni al computer atte a stimare il contributo del gluone allo spin del protone. I risultati, pubblicati su Physical Review Letters 118, 102001 (2017)[1], indicano che circa il 50% dello spin del protone deriva dallo spin dei gluoni che legano i quark che lo costituiscono.

Comprendere la complessità strutturale di protoni e neutroni in termini di quark e gluoni si presenta oggi come una delle più importanti sfide nel mondo della fisica. Una nuova generazione di esperimenti, inclusi quelli già in funzione di JLab12 (US) e COMPASS2 (CERN), che vedono un’importante partecipazione della comunità scientifica italiana, è nata per affrontare tale questione fondamentale.

Accanto a questo problema, la comunità della fisica si trova di fronte a una nuova affascinante sfida. Quando, agli inizi degli anni ‘70, fu introdotto il primo apparato per la tomografia computerizzata 3D, esso rivoluzionò la diagnostica medica e l’uso della radiografia. Lo stato dell’arte nel campo della fisica delle particelle si basa ancora su una descrizione unidimensionale della struttura interna delle particelle e, in particolare, dei protoni e dei neutroni. Lo studio della struttura subatomica e in generale la fisica delle alte energie potrebbe essere rivoluzionato rendendo disponibili sonde tridimensionali. Per ottenere questo risultato è necessario avvalersi dello spin. Esso si configura come il nuovo strumento per l’analisi della struttura tomografica di protoni e neutroni, aprendo una nuova strada nella fisica di frontiera.

Per raggiungere quest’importante obiettivo diversi risultati tecnici e fisici devono essere conseguiti, interessando campi che vanno dalla scienza dei materiali per il rivestimento delle pareti interne dell’acceleratore, all’informatica per l’elaborazione di nuovi algoritmi di ricostruzione delle traiettorie delle particelle.

Logo del progetto LHCSpin

I Laboratori Nazionali di Frascati, in collaborazione con l’Università di Ferrara, ricoprono un ruolo chiave nell’ambito di questa ricerca, sviluppando e proponendo, per la prima volta, il progetto LHCSpin, che studia la possibilità di ottenere collisioni di particelle polarizzate (ossia collisioni dipendenti dallo spin) nel più potente acceleratore mai costruito, l’LHC del CERN. Il progetto è ancora in fase preparatoria, ma la comunità spera che, nei prossimi anni, sotto il coordinamento dell’INFN, con un impegno sinergico con altri istituti di ricerca quali il CERN (Svizzera), il Research Center Juelich (Germania), la University of Erlangen (Germania) e la University of Virginia (USA), LHCSpin getterà luce sul puzzle dello spin delle particelle e fornirà preziose informazioni sulla descrizione tomografica dei protoni e dei neutroni. (Pasquale Di Nezza)

 

Sitografia:

http://scienzapertutti.infn.it/chiedi-allesperto/tutte-le-risposte/1764-0400-spin

[1] Disponibile all’indirizzo arxiv.org/abs/1606.05937