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HERA fornisce il quadro più preciso sul protone

Dopo 15 anni di misure e altri 8 trascorsi per l’analisi dei dati e i calcoli, i fisici della collaborazione H1 e ZEUS hanno pubblicato i risultati più precisi sulla struttura e il comportamento del protone. I due esperimenti, realizzati dal 1992 al 2007 con l’acceleratore di particelle HERA (Hadron Electron Ring Accelerator) presso il Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), un centro nazionale di ricerca sulla fisica nucleare in Germania, hanno permesso di combinare più di un miliardo di collisioni protoniche con elettroni o positroni. All’analisi dei dati hanno contribuito più di 300 ricercatori di 70 istituti.

L’eredità scientifica di HERA: il protone non solo consiste di tre quark (verde) legati insieme dai gluoni (molle), ma si tratta di un luogo in fermento costituito da gluoni e coppie di quark-antiquark (arancione) che interagiscono l’uno con l’altro. Credit: DESY/HERA

Questa pubblicazione non solo rappresenta il culmine del programma scientifico HERA ma sarà considerata per lungo tempo come il quadro più preciso della struttura del protone“, dice Joachim Mnich direttore scientifico del centro di ricerca DESY. “Questa eredità non è solo importante per la comprensione delle proprietà di base della materia ma serve anche per gli esperimenti che riguardano le collisioni protone-protone come quelle che vengono realizzate al CERN“. I protoni si trovano nel cuore di ogni singolo nucleo atomico. La loro struttura composta da tre quark (due up e uno down) legati insieme dai cosiddetti gluoni, particelle che mediano l’interazione forte, è ben nota da decenni e viene insegnata nelle scuole. Tuttavia, la struttura reale del protone è molto più complicata: il nucleone può essere pensato come una sorta di “zuppa in fermento” dove i gluoni possono produrre altri gluoni che, a loro volta, possono separarsi in coppie di quark-antiquark (il cosiddetto “mare di quark”) e che insieme interagiscono di nuovo molto rapidamente. L’acceleratore di particelle HERA è stato concepito per esplorare la struttura del protone utilizzando gli elettroni come delle “sonde”. Per far questo, un anello lungo 6,3 Km accelera i protoni a velocità relativistiche prima di farli scontrare con elettroni o positroni che vengono fatti accelerare in direzione opposta. Elettroni e positroni, che fanno parte di una specie di particelle chiamate leptoni, penetrano in profondità nel protone e vengono diffusi da uno dei costituenti del protone mediante la forza debole o elettromagnetica. Le reazioni sono state misurate dai due rivelatori H1 e ZEUS. I due esperimenti hanno misurato la probabilità dei diversi comportamenti di questi processi di diffusione leptone-protone per poi confrontare i risultati con la miglior teoria sulla sottostruttura del protone, chiamata cromodinamica quantistica. I risultati di HERA hanno confermato perfettamente la teoria mostrano come l’apparente struttura del protone diventa più dinamica con l’aumentare dell’energia a cui viene studiato il protone.

I dati combinati degli esperimenti H1 e ZEUS mostrano come la forza elettromagnetica (in rosso) e la forza debole (in blu) si unificano ad alte energie. Credit: DESY/HERA

Inoltre, i dati di HERA provano meravigliosamente l’unificazione delle interazioni debole ed elettromagnetica ad energie maggiori rispetto a quanto predetto dal modello standard. Ad energie più basse, la forza elettromagnetica è più intensa della forza debole ma i fisici assumono che queste due forze siano come una sorta di “due lati della stessa moneta”, il che apre in via definitiva la strada verso l’unificazione delle forze della natura. Nei dati forniti dall’esperimento HERA, i fisici sono stati in grado di identificare le due forze attraverso la particella mediatrice: mentre l’interazione elettromagnetica viene mediata dal fotone, la forza debole viene mediata da una particella neutra e due particelle cariche: stiamo parlando dei bosoni Z e W. Per energie di collisione elevate, i dati di H1 e ZEUS mostrano che entrambe le forze si comportano assolutamente allo stesso modo, una chiara evidenza dell’unificazione elettrodebole. “Attraverso la combinazione delle misure dei due esperimenti abbiamo raggiunto la precisione più elevata possibile“, spiega Stefan Schmitt, portavoce dell’esperimento H1. Combinare i dati da differenti rivelatori di particelle analizzati attraverso tecniche diverse e raccolti nel corso di 15 anni è un impresa gigantesca. Già nel 2009, le due collaborazioni pubblicarono un articolo congiunto sulla struttura del protone basato sui dati del primo run di HERA fino al 2000. Con 600 citazioni ottenute fino ad oggi, questo lavoro rappresenta uno dei più citati del campo. Ad ogni modo, rimane ancora qualche mistero con le verifiche sperimentali del modello standard. “In particolare, a basse energie la teoria di riferimento della cromodinamica quantistica non è sufficiente per descrivere le nostre misure. Questo sarà un punto di partenza da dove teorici e sperimentali dovranno partire“, conclude Matthew Wing dell’University College di Londra e portavoce dell’esperimento ZEUS.

DESY: The most precise picture of the proton
arXiv: Combination of Measurements of Inclusive Deep Inelastic e±p Scattering Cross Sections and QCD Analysis of HERA Data

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