PROVA SPERIMENTALE DELL'ESISTENZA DELLA FORZA ROTAZIONALE INDOTTA, INTUITA PER PRIMO DAL DOTT. GIUSEPPE COTELLESSA. LA PROVA SI BASA SULL'ESISTENZA DI UN VALORE SEMPRE COSTANTE DELLO SPIN DEL PROTONE.
PROVA SPERIMENTALE DELL'ESISTENZA DELLA FORZA ROTAZIONALE INDOTTA, INTUITA PER PRIMO DAL DOTT. GIUSEPPE COTELLESSA. ESSA SUPERA I LIMITI DELLA FISICA DI NEWTON E DI QUELLA DI EINSTEIN. LA PROVA SI BASA SULL'ESISTENZA DI UN VALORE SEMPRE COSTANTE DELLO SPIN DEL PROTONE.
Dott. Giuseppe Cotellessa.
Modello semplificato di un protone, particella costituita da due quark up e un quark down, legati tra loro da gluoni.
Il valore sempre costante dello spin del protone potrebbe essere originato dall'esistenza della forza rotazionale indotta, intuita per primo dal Dott. Giuseppe Cotellessa, Ciò comporterebbe un nuovo modello microscopico basato sull'esistenza di zone con materia ed antimateria confinate in regioni di dimensioni infinitesime.
I fisici cercano da anni di capire in che modo lo spin del protone è determinato dallo spin dei suoi componenti fondamentali - i quark - e da quello dei gluoni, che mediano l'interazione tra quark. Nuovi dati ottenuti con l'acceleratore RHIC del Brookhaven National Laboratory stanno ora portando i ricercatori vicino alla soluzione.
I protoni possiedono uno spin costante, che è una proprietà intrinseca delle particelle, come la massa o la carica elettrica. Eppure l'origine di questo spin rimane tutt'ora un mistero, al punto che nella comunità dei fisici si parla di “crisi dello spin del protone”.
Inizialmente, si pensava che lo spin di un protone fosse semplicemente la somma degli spin dei tre quark che lo compongono. Ma un esperimento del 1987 ha mostrato che i quark rendono conto soltanto di una piccola porzione dello spin di un protone, sollevando così la domanda su come possa originarsi la parte restante.
All'interno di un protone, i quark sono tenuti insieme da gluoni; così si è ipotizzato che anche questi possano contribuire allo spin. Questa idea è ora supportata da un paio di studi che hanno analizzato i risultati delle collisioni di protoni all'interno del Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) del Brookhaven National Laboratory di Upton, nello stato di New York.
I fisici spesso paragonano lo spin alla rotazione di una particella se stessa, ma si tratta solo di una metafora: lo spin è una quantità quantistica che non può essere descritta in termini classici. Proprio come un protone in realtà non è una minuscola biglia ma piuttosto un coacervo di particelle fantasma che appaiono e scompaiono continuamente, il suo spin è una proprietà probabilistica complessa. E ha sempre il valore 1/2.
Anche i quark hanno spin pari a 1/2. Originariamente, i fisici ipotizzarono che due dei tre quark che costituiscono il protone avessero spin in direzioni opposte, annullandosi a vicenda. In questo modello, lo spin del protone sarebbe dovuto coincidere quindi con lo spin del terzo quark. “Questa era l'ingenua idea di 25 anni fa”, spiega Daniel de Florian dell'Università di Buenos Aires, primo autore di uno
degli articoli pubblicati sulle “Physical Review Letters”. “Alla fine degli anni ottanta si riuscì a misurare il contributo dello spin dei quark allo spin del protone; la prima misurazione diede un risultato molto sorprendente: zero. Misurazioni successive hanno poi chiarito che i quark possono contribuire fino al 25 per cento allo spin totale del protone; ciò non toglie che la maggior parte rimanga senza spiegazione.
All'interno dei protoni sono presenti anche i gluoni, che mediano l'interazione nucleare forte, una delle forze fondamentali della natura, che lega tra loro i quark. Ciascun gluone ha uno spin pari a 1, e può concorrere a costituire la parte mancante dello spin del protone, secondo la propria orientazione. Misurare il contributo di spin dei gluoni è un compito assai arduo: il RHIC è l'unico apparato sperimentale in grado di affrontare la questione, perché è l'unico acceleratore di particelle costruito per far collidere protoni con polarizzazione di spin: ciò significa che le particelle che collidono hanno tutte in comune lo stesso orientamento dello spin. (Presso il più potente Large Hadron Collider del CERN di Ginevra, gli spin delle particelle non sono allineati tra loro.)
Quando due protoni collidono tra loro, la forza che entra in gioco è quella forte, e per questo i gluoni sono intimamente coinvolti. Dunque, se lo spin dei gluoni è un ingrediente importante per determinare lo spin del protone, lo spin dei protoni che collidono dovrebbe influenzare il risultato. I ricercatori si aspettano che le collisioni tra due protoni i cui spin sono allineati avvengano con una frequenza diversa da quella che caratterizza le collisioni di particelle con spin in direzioni opposte. E, secondo i dati recenti RHIC, una differenza c'è effettivamente.
“Se non vi è alcuna orientamento privilegiato dello spin, la differenza sarà esattamente pari a zero”, sottolinea Juan Rojo fisico dell'Università di Oxford e membro della NNPDF, la collaborazione che ha firmato il secondo articolo, in via di pubblicazione sulla rivista “Nuclear Physics B”. “E poiché è diversa da zero, possiamo concludere che la distribuzione degli spin non è banale”.
Il gruppo di Rojo ha calcolato che i gluoni probabilmente contribuiscono per circa la metà allo spin che i quark conferiscono al protone. De Florian i suoi colleghi hanno analizzato gli stessi dati ricavati dal RHIC, ma hanno usato un'analisi matematica di tipo diverso per calcolare il contributo dei gluoni, trovando anch'essi che lo spin dei gluoni deve contribuire in modo significativo.
“Questi dati mostrano per la prima volta che la polarizzazione dei gluoni è in realtà diversa da zero: i gluoni sono polarizzati”, aggiunge de Florian. “In sostanza, potrebbero essere responsabili della parte mancante dello spin del protone, ma l'incertezza è molto grande”.
Entrambi i gruppi sostengono che il loro lavoro è solo l'inizio della ricerca che dovrebbe portare a comprendere in che modo i gluoni influenzano lo spin dei protoni. Per avere la certezza, è necessario condurre un grande esperimento. Il candidato migliore, dicono, è un progetto di collider elettroni-ioni che potrebbe essere costruito presso il Brookhaven National Laboratory. Questa macchina potrebbe far collidere protoni polarizzati a energie superiori rispetto a quelle raggiunte dal RHIC, permettendo di chiarire quale sia il contributo allo spin del protone di gluoni di energia più elevata invece di quello dei gluoni di bassa energia.
Se lo spin dei gluoni non è tale da rendere conto dello spin mancante del protone, una spiegazione alternativa potrebbe coinvolgere il momento angolare orbitale dei quark e dei gluoni all'interno del protone. Proprio come la Terra ruota intorno al proprio asse e orbita intorno al Sole, allo stesso modo quark e gluoni hanno, oltre al loro spin intrinseco, un momento angolare che deriva dal loro moto intorno al centro del protone. La questione, dice il fisico Robert Jaffe del Massachusetts Institute of Technology, che non ha partecipato alla ricerca, è quale possa essere il contributo di ciascuno di questi elementi allo spin totale. E aggiunge: “Misurare il contributo dei gluoni allo spin del protone è un passo importante per riuscire a rispondere a questa domanda”.
Risolvere la crisi dello spin del protone è un passo cruciale non solo per comprendere lo spin stesso, ma anche per capire quale sia l'origine della massa del protone e di molte altre particelle. Si sente ripetere spesso che il bosone di Higgs, recentemente scoperto, conferisce la massa a tutte le altre particelle. Questo è vero, ma non è tutta la verità, dice Rojo. Oltre al meccanismo di Higgs, un altro processo contribuisce a dare massa ai protoni. Questo processo è legato al confinamento, il meccanismo in virtù del quale i quark vengono sempre osservati all'interno di altre particelle, come i protoni, e mai da soli. Le dinamiche di confinamento coinvolgono anche la polarizzazione dello spin di quark e gluoni.
“Comprendere il confinamento è uno dei problemi più importanti della fisica teorica moderna”, spiega Rojo. “quanto meglio capiamo la distribuzione della polarizzazione di quark e gluoni, tanto più ci avviciniamo alla comprensione del confinamento. Con i nostri dati, abbiamo il meccanismo di base per il confinamento e, in definitiva, l'origine della massa dei protoni”.
Da:
http://www.lescienze.it/news/2014/07/23/news/mistero_spin_protone_quark_gluoni-2222913/
Dott. Giuseppe Cotellessa.
Modello semplificato di un protone, particella costituita da due quark up e un quark down, legati tra loro da gluoni.
Il valore sempre costante dello spin del protone potrebbe essere originato dall'esistenza della forza rotazionale indotta, intuita per primo dal Dott. Giuseppe Cotellessa, Ciò comporterebbe un nuovo modello microscopico basato sull'esistenza di zone con materia ed antimateria confinate in regioni di dimensioni infinitesime.
I fisici cercano da anni di capire in che modo lo spin del protone è determinato dallo spin dei suoi componenti fondamentali - i quark - e da quello dei gluoni, che mediano l'interazione tra quark. Nuovi dati ottenuti con l'acceleratore RHIC del Brookhaven National Laboratory stanno ora portando i ricercatori vicino alla soluzione.
I protoni possiedono uno spin costante, che è una proprietà intrinseca delle particelle, come la massa o la carica elettrica. Eppure l'origine di questo spin rimane tutt'ora un mistero, al punto che nella comunità dei fisici si parla di “crisi dello spin del protone”.
Inizialmente, si pensava che lo spin di un protone fosse semplicemente la somma degli spin dei tre quark che lo compongono. Ma un esperimento del 1987 ha mostrato che i quark rendono conto soltanto di una piccola porzione dello spin di un protone, sollevando così la domanda su come possa originarsi la parte restante.
All'interno di un protone, i quark sono tenuti insieme da gluoni; così si è ipotizzato che anche questi possano contribuire allo spin. Questa idea è ora supportata da un paio di studi che hanno analizzato i risultati delle collisioni di protoni all'interno del Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) del Brookhaven National Laboratory di Upton, nello stato di New York.
I fisici spesso paragonano lo spin alla rotazione di una particella se stessa, ma si tratta solo di una metafora: lo spin è una quantità quantistica che non può essere descritta in termini classici. Proprio come un protone in realtà non è una minuscola biglia ma piuttosto un coacervo di particelle fantasma che appaiono e scompaiono continuamente, il suo spin è una proprietà probabilistica complessa. E ha sempre il valore 1/2.
Anche i quark hanno spin pari a 1/2. Originariamente, i fisici ipotizzarono che due dei tre quark che costituiscono il protone avessero spin in direzioni opposte, annullandosi a vicenda. In questo modello, lo spin del protone sarebbe dovuto coincidere quindi con lo spin del terzo quark. “Questa era l'ingenua idea di 25 anni fa”, spiega Daniel de Florian dell'Università di Buenos Aires, primo autore di uno
All'interno dei protoni sono presenti anche i gluoni, che mediano l'interazione nucleare forte, una delle forze fondamentali della natura, che lega tra loro i quark. Ciascun gluone ha uno spin pari a 1, e può concorrere a costituire la parte mancante dello spin del protone, secondo la propria orientazione. Misurare il contributo di spin dei gluoni è un compito assai arduo: il RHIC è l'unico apparato sperimentale in grado di affrontare la questione, perché è l'unico acceleratore di particelle costruito per far collidere protoni con polarizzazione di spin: ciò significa che le particelle che collidono hanno tutte in comune lo stesso orientamento dello spin. (Presso il più potente Large Hadron Collider del CERN di Ginevra, gli spin delle particelle non sono allineati tra loro.)
Quando due protoni collidono tra loro, la forza che entra in gioco è quella forte, e per questo i gluoni sono intimamente coinvolti. Dunque, se lo spin dei gluoni è un ingrediente importante per determinare lo spin del protone, lo spin dei protoni che collidono dovrebbe influenzare il risultato. I ricercatori si aspettano che le collisioni tra due protoni i cui spin sono allineati avvengano con una frequenza diversa da quella che caratterizza le collisioni di particelle con spin in direzioni opposte. E, secondo i dati recenti RHIC, una differenza c'è effettivamente.
“Se non vi è alcuna orientamento privilegiato dello spin, la differenza sarà esattamente pari a zero”, sottolinea Juan Rojo fisico dell'Università di Oxford e membro della NNPDF, la collaborazione che ha firmato il secondo articolo, in via di pubblicazione sulla rivista “Nuclear Physics B”. “E poiché è diversa da zero, possiamo concludere che la distribuzione degli spin non è banale”.
Il gruppo di Rojo ha calcolato che i gluoni probabilmente contribuiscono per circa la metà allo spin che i quark conferiscono al protone. De Florian i suoi colleghi hanno analizzato gli stessi dati ricavati dal RHIC, ma hanno usato un'analisi matematica di tipo diverso per calcolare il contributo dei gluoni, trovando anch'essi che lo spin dei gluoni deve contribuire in modo significativo.
“Questi dati mostrano per la prima volta che la polarizzazione dei gluoni è in realtà diversa da zero: i gluoni sono polarizzati”, aggiunge de Florian. “In sostanza, potrebbero essere responsabili della parte mancante dello spin del protone, ma l'incertezza è molto grande”.
Entrambi i gruppi sostengono che il loro lavoro è solo l'inizio della ricerca che dovrebbe portare a comprendere in che modo i gluoni influenzano lo spin dei protoni. Per avere la certezza, è necessario condurre un grande esperimento. Il candidato migliore, dicono, è un progetto di collider elettroni-ioni che potrebbe essere costruito presso il Brookhaven National Laboratory. Questa macchina potrebbe far collidere protoni polarizzati a energie superiori rispetto a quelle raggiunte dal RHIC, permettendo di chiarire quale sia il contributo allo spin del protone di gluoni di energia più elevata invece di quello dei gluoni di bassa energia.
Se lo spin dei gluoni non è tale da rendere conto dello spin mancante del protone, una spiegazione alternativa potrebbe coinvolgere il momento angolare orbitale dei quark e dei gluoni all'interno del protone. Proprio come la Terra ruota intorno al proprio asse e orbita intorno al Sole, allo stesso modo quark e gluoni hanno, oltre al loro spin intrinseco, un momento angolare che deriva dal loro moto intorno al centro del protone. La questione, dice il fisico Robert Jaffe del Massachusetts Institute of Technology, che non ha partecipato alla ricerca, è quale possa essere il contributo di ciascuno di questi elementi allo spin totale. E aggiunge: “Misurare il contributo dei gluoni allo spin del protone è un passo importante per riuscire a rispondere a questa domanda”.
Risolvere la crisi dello spin del protone è un passo cruciale non solo per comprendere lo spin stesso, ma anche per capire quale sia l'origine della massa del protone e di molte altre particelle. Si sente ripetere spesso che il bosone di Higgs, recentemente scoperto, conferisce la massa a tutte le altre particelle. Questo è vero, ma non è tutta la verità, dice Rojo. Oltre al meccanismo di Higgs, un altro processo contribuisce a dare massa ai protoni. Questo processo è legato al confinamento, il meccanismo in virtù del quale i quark vengono sempre osservati all'interno di altre particelle, come i protoni, e mai da soli. Le dinamiche di confinamento coinvolgono anche la polarizzazione dello spin di quark e gluoni.
“Comprendere il confinamento è uno dei problemi più importanti della fisica teorica moderna”, spiega Rojo. “quanto meglio capiamo la distribuzione della polarizzazione di quark e gluoni, tanto più ci avviciniamo alla comprensione del confinamento. Con i nostri dati, abbiamo il meccanismo di base per il confinamento e, in definitiva, l'origine della massa dei protoni”.
Da:
http://www.lescienze.it/news/2014/07/23/news/mistero_spin_protone_quark_gluoni-2222913/
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