L'interno dell'atomo è stato mostrato per la prima volta in un'immagine di quark e gluoni

Comprendere le strutture interne dell'atomo è stata una delle sfide dei fisici sin dalla fine del XIX secolo. Tuttavia, la questione di cosa sia fatta la materia risale all’antichità, quando i filosofi iniziarono a rifletterci. Negli ultimi secoli, questa domanda è passata attraverso diverse menti brillanti che vanno da Isaac Newton ad Albert Einstein e contemporanei come Bohr, Oppenheimer e Schrödinger.

In questo secolo sono stati condotti esperimenti su apparecchiature con investimenti miliardari per approfondire ulteriormente la comprensione degli atomi. Uno di questi equipaggiamenti è l'acceleratore di particelle del CERN, l'LHC, che è attualmente il più grande acceleratore di particelle del mondo.

L'LHC è diventato famoso nel 2013 quando i ricercatori hanno annunciato la scoperta del bosone di Higgs. Recentemente, in un articolo pubblicato su Physical Review Letters, i ricercatori di una collaborazione per studiare la struttura dell'atomo hanno pubblicato un'immagine di quark e gluoni. L'immagine proviene da esperimenti condotti presso diversi acceleratori, compresi i dati ottenuti utilizzando l'LHC. L'esperimento si basava sull'accelerazione degli elettroni ad alte energie per ottenere una sorta di mappa dell'atomo.

Struttura dell'atomo

Impariamo fin da piccoli che un atomo è costituito da particelle chiamate protoni, elettroni e neutroni. Gli elettroni sono particelle negative che si trovano in una nuvola attorno al centro dell'atomo composto da protoni e neutroni. I protoni hanno cariche positive mentre i neutroni non hanno carica. Mentre gli elettroni sono particelle fondamentali, i protoni e i neutroni non lo sono.

Nell'atomo sono presenti diverse interazioni come l'interazione elettromagnetica che è responsabile delle orbite degli elettroni e l'interazione forte responsabile di tenere uniti i protoni nel nucleo. Ogni protone ed elettrone è costituito da particelle ancora più piccole chiamate quark.

Il tipo di quark varia con un protone formato da tre quark, due di tipo “up” e uno di tipo “down”. Il neutrone è costituito da due quark “down” e uno di tipo “up”. Un'altra particella fa parte di questa interazione e si chiama gluone che media l'interazione forte mantenendo protoni e neutroni all'interno del nucleo.

Quark e gluoni

I quark che costituiscono la parte più interna dei protoni e dei neutroni sono chiamati fermioni (nome in onore del fisico italiano Enrico Fermi) e hanno sei tipi diversi. Il tipo di ciascun quark è chiamato sapore e può essere up, down, charm, strange, top e bottom. La carica e la massa delle particelle, come protoni e neutroni, dipendono da come sono disposti i quark e da che tipo di quark è presente al loro interno.

La connessione tra i quark per formare la struttura di un protone o di un neutrone avviene attraverso una particella mediatrice chiamata gluone. Quando due quark vengono separati, l'interazione aumenta creando tensione come un elastico teso. Inoltre, i quark hanno anche un tipo di carica nota come carica di colore, la somma delle cariche di colore di una particella è zero.

Esperimento

Un modo per comprendere e mappare la struttura dell'atomo è attraverso le collisioni con elettroni di diversa energia. Gli esperimenti più famosi consistono nell'utilizzare elettroni accelerati a diverse velocità e nel lanciarli verso gli atomi. Nel caso di energie inferiori, gli elettroni interagiscono con particelle cariche come protoni e altri elettroni. Quando vengono accelerati a energie più elevate, come quelle che si verificano negli acceleratori di particelle come l'LHC, è possibile osservare l'interazione con quark e gluoni.

Uno dei risultati di questi esperimenti è che gluoni e quark si comportano insieme e non isolatamente. È come se esistesse una regione composta da quark e gluoni e studiare queste regioni è importante per comprenderne le proprietà.

Prima immagine

Nei dati ottenuti dall'LHC, un gruppo di ricercatori ha analizzato i risultati degli elettroni energetici sparati contro gli atomi. Con questo sono riusciti a ottenere una funzione che descrive com'è la struttura all'interno dell'atomo. Nella fisica delle particelle, comprendere la distribuzione attraverso le collisioni degli atomi è il modo migliore per immaginare l'idea di come funziona la struttura.

In totale, hanno studiato 18 nuclei atomici e la distribuzione delle strutture di quark e gluoni sia correlate che non correlate. I risultati hanno confermato l’osservazione nota da esperimenti a bassa energia secondo cui la maggior parte delle coppie correlate sono coppie protone-neutrone. Questo approccio fornisce una migliore descrizione dei dati sperimentali rispetto ai metodi tradizionali.

Riferimenti allo studio:

Denniston et al. 2024 Modification of Quark-Gluon Distributions in Nuclei by Correlated Nucleon Pairs Physical Review Letters