Il protone contiene una meravigliosa particella aggiuntiva: il “charm quark”

Dalle sedie e divani alle stelle e ai pianeti, la materia è composta da elementi costitutivi sempre più piccoli. Le molecole sono costituite da atomi, gli atomi includono protoni e i protoni contengono “quark”, di due tipi: due quark “up” e uno “down”. La nuova ricerca, che combina quarant’anni di misurazioni, fornisce prove per un altro tipo di quark nel protone: la variante “charm”. Nel protone sembra esistere una coppia di due quark charmed.

L’idea che ci siano quark charmed nel protone è stata suggerita all’inizio degli anni ’80 ed è sempre stata controversa: il quark charmed è più pesante del protone stesso. “È come aprire un camion da due tonnellate e scoprire un carico di cinque tonnellate”, spiega Juan Rojo (VU University of Amsterdam), autore principale dello studio, pubblicato mercoledì sulla prestigiosa rivista. Natura.

Ma nel mondo delle particelle elementari, una cosa del genere non è un problema. Dopotutto, nella meccanica quantistica è anche possibile che le particelle si trovino in più posti contemporaneamente, o che appaiano e scompaiano di momento in momento. Allo stesso modo, il peso di un quark non può essere registrato come per gli oggetti di uso quotidiano. “La meccanica quantistica non ha problemi con gli amuleti più pesanti dei protoni stessi”, afferma Rojo.

Come se non fosse abbastanza difficile da capire, il team di Rojo ha affrontato un’altra sfida: l’unico modo per confermare la presenza di quark incantati nel protone è far scontrare i protoni con un’energia tremenda su altre particelle. . Il problema è che una tale collisione crea quark charmed che non hanno nulla a che fare con i quark del protone.

“L’essenza di questa ricerca è che era necessario distinguere tra questi quark intrinseci, che sono comunque nel protone, e i quark estrinseci, che si formano a seguito della collisione”, spiega Daniël Boer, fisico delle particelle all’Università di Groningen e non coinvolto nella ricerca.

Rojo e i suoi colleghi hanno risolto l’enigma raccogliendo dati da 40 anni di esperimenti che hanno coinvolto protoni in collisione. Più di 5.000 misurazioni di circa 200 diversi processi insieme hanno fornito informazioni sufficienti per trovare la minuscola impronta dei quark charm intrinseco nel rumore delle particelle che scoppiano.

“Sappiamo del protone da oltre cento anni”, dice Boer. “Incredibile che possiamo ancora imparare qualcosa di nuovo su una conoscenza così vecchia.”

La scoperta ha implicazioni per tutti i tipi di campi basati sul modello esistente del protone. Un esempio è l’astronomia: quando la radiazione dell’universo si scontra con l’atmosfera terrestre, vengono rilasciati tutti i tipi di particelle, che gli astronomi poi studiano per saperne di più sull’universo. I quark dal fascino intrinseco non sono ancora stati inclusi nelle descrizioni teoriche di questi processi, ma dopo questa scoperta non possono più mancare.