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Un acceleratore di particelle per comprendere il collante della materia: la forza forte

Tra circa dieci anni un acceleratore di particelle ci potrà dire di più su una delle forze fondamentali della natura, in grado di tenere unita la materia.

Categorie Fisica · Scienza e Scienziati

Era il 9 Gennaio 2020 quando il Dipartimento di Energia degli USA selezionava il Brookhaven National Laboratory di Upton come sede dell’Electron Ion Collider (Eic). Si tratta di un nuovo ed enorme acceleratore di particelle che si spera possa dare qualche informazione in più sulla forza che mantiene unita la materia. E a giudicare dalla stima del costo, intorno ai 2 miliardi di dollari, c’è grande ottimismo.

Rappresentazione schematica dell’ Electron-ion collider

Le origini dell’acceleratore Eic

L’idea alla base di Eic ha origine negli anni cinquanta. Ai tempi si credeva che le particelle presenti all’interno del nucleo di un atomo (protoni e neutroni) fossero indivisibili. A smentire tale credenza ci pensò un esperimento ad opera del team guidato dal fisico Robert Hofstadter. Egli sfruttò lo Stanford Linear Accelerator, un acceleratore di particelle lineare, per scagliare un fascio di elettroni ad alta energia contro un piccolo campione di idrogeno. Dall’osservazione di una leggera deviazione degli elettroni che rimbalzavano dopo aver colpito i nuclei, la scoperta: protoni e neutroni avevano anch’essi una struttura interna.

Quel che oggi si sa è che la materia è costituita da particelle indivisibili chiamate quark, e che legate assieme formano protoni e neutroni. A tenere unite tali particelle ci pensa la cosiddetta forza forte, una delle quattro interazioni fondamentali conosciute, mediata dai gluoni. Sebbene sia possibile prevedere correttamente il comportamento di quark e gluoni, mediante la teoria della cromodinamica quantistica, non è ancora possibile calcolare analiticamente le proprietà dei protoni.

La colpa non è dei fisici quantistici, nè tantomeno dei computer. Semplicemente, le equazioni della cromodinamica quantistica non sono risolvibili.

Daria Sokhan, fisica sperimentale delle particelle

A cosa servirà Eic

Laddove la teoria non può arrivare, gli esperimenti ad opera degli acceleratori di particelle possono dare un grosso contributo alla scoperta delle proprietà dei protoni. Infatti, la possibilità di effettuare potenti collisioni tra le particelle, permette di osservarne in maniera dettagliata la struttura interna e conoscerne le singole componenti. Naturalmente, ciò che si vede è il risultato di un’attenta scelta del setup sperimentale e delle modalità con la quale la collisione viene indotta.

Il compito dell’Eic sarà quello di trovare una risposta a diversi interrogativi. Tra questi: come fanno i protoni ad avere una massa dato che i quark ne sono quasi privi, e come fanno i quark a manifestarsi. Agendo come un grosso microscopio, utilizzerà un fascio di elettroni ad alta energia per raccogliere informazioni sulla struttura interna dei protoni. Ciò consentirà, con estrema precisione, di osservare quei fenomeni che accadono al loro interno e che si manifestano solo una volta ogni miliardo di collisioni.

Lo studio di questi fenomeni ci permetterà di osservare la struttura interna di protoni e neutroni, ma anche come questa si genera e come cambia in funzione dell’interazione forte. Inoltre, sarà possibile scoprire se esiste un tipo di materia costituita da soli gluoni.

Daria Sokhan, fisica sperimentale delle particelle

Acceleratore Eic: quando sarà operativo

Secondo la disamina che la fisica sperimentale Daria Sokhan ha di recente pubblicato su The Conversation, l’acceleratore dovrebbe iniziare ad essere funzionante tra poco più di dieci anni. In maniera analoga ad un microscopio, esso permetterà di guardare più o meno a fondo all’interno di un protone o un neutrone. Il tutto manipolando opportunamente l’energia del fascio di elettroni. Al di là della complessità e della straordinarietà del progetto, è bene sottolineare che tra gli oltre mille fisici che da tutto il mondo vi stanno partecipando, circa un centinaio di ricercatori provengono dall’Istituto nazionale di fisica nucleare italiano.