First Measurement of Near-Threshold J/{\psi} Photoproduction on the Neutron
Utilizzando il rivelatore CLAS12 presso il Jefferson Lab, i ricercatori riportano la prima misura delle sezioni d'urto della fotoproduzione di in prossimità della soglia sul neutrone e sul protone legato, fornendo nuovi vincoli sui meccanismi di produzione ed evidenza di modifiche alla struttura gluonica dei nucleoni all'interno del mezzo nucleare.
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Nel profondo degli atomi che compongono il nostro mondo, protoni e neutroni non sono sfere solide e indivisibili. Sono città frenetiche di particelle ancora più piccole chiamate quark, tenute insieme da una forza potente trasportata da particelle note come gluoni. Sebbene gli scienziati comprendano da tempo come questi gluoni si comportino in un protone libero di fluttuare, hanno faticato a vedere come cambino quando quel protone viene compresso all'interno del nucleo di un atomo. Questa è una questione critica perché il modo in cui queste minuscole particelle interagiscono determina la massa e la struttura di tutta la materia visibile dell'universo. Per comprendere il protone, i ricercatori devono prima mappare la "nuvola di gluoni" che lo circonda, un compito che richiede l'irradiazione di un tipo specifico di luce su queste particelle e l'osservazione della loro reazione.
Per anni, i fisici hanno utilizzato fasci ad alta energia per studiare il protone libero, ma il neutrone, che vive solo in coppia con i protoni all'interno dei nuclei atomici, è rimasto un mistero in questo contesto. Un nuovo studio pubblicato dalla Collaborazione CLAS presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility ha finalmente gettato uno sguardo diretto sul neutrone. Sfondando un potente fascio di elettroni contro un bersaglio di deuterio liquido — una forma di idrogeno che contiene sia un protone che un neutrone — il team è stato in grado di isolare il neutrone e misurare come esso produca una particella pesante chiamata J/psi. Questa è la prima volta che gli scienziati misurano con successo questa specifica reazione su un neutrone legato, fornendo una rara finestra sulla struttura gluonica nascosta del neutrone e su come questa si confronti con la sua compagna, il protone.
L'esperimento si è svolto in un enorme rilevatore noto come CLAS12, che agisce come una gigantesca fotocamera ad alta velocità capace di catturare i detriti delle collisioni tra particelle. I ricercatori hanno diretto un fascio di elettroni con energie comprese tra 10,2 e 10,6 miliardi di elettronvolt verso un serbatoio lungo cinque centimetri di deuterio liquido. Quando un elettrone del fascio ha colpito un neutrone o un protone all'interno del serbatoio, ha creato un'esplosione di energia che occasionalmente si è trasformata in una particella J/psi. Questa particella pesante è instabile e decade immediatamente in un elettrone e un positrone, che il rilevatore ha tracciato con estrema precisione. Misurando l'energia e gli angoli di queste particelle in uscita, il team è stato in grado di ricostruire l'istante esatto della collisione e calcolare quanto spesso venisse prodotta la particella J/psi.
I risultati hanno rivelato qualcosa di sorprendente sulla natura della materia all'interno del nucleo. Il team ha scoperto che la probabilità di creare una particella J/psi su un neutrone legato era notevolmente simile a quella su un protone legato. Questa somiglianza suggerisce che il meccanismo che guida la creazione di queste particelle pesanti sia lo stesso per entrambi i tipi di nucleoni, coinvolgendo probabilmente lo scambio di due gluoni. Più importante ancora, confrontando queste nuove misurazioni con i dati precedenti sui protoni liberi, i ricercatori hanno notato una sottile differenza. I dati suggeriscono che la dimensione effettiva della nuvola di gluoni all'interno di un nucleone legato sia leggermente inferiore rispetto a quella di un nucleone libero.
Questa scoperta punta verso una modifica della struttura interna di protoni e neutroni quando sono intrappolati all'interno di un nucleo atomico. Implica che l'ambiente nucleare, lo spazio affollato dove vivono insieme i nucleoni, comprima o alteri la distribuzione dei gluoni. Sebbene la precisione statistica degli attuali dati non sia ancora sufficientemente alta da dichiarare questo come una prova definitiva, i risultati suggeriscono fortemente che le regole che governano la forza forte cambino leggermente a seconda che una particella sia sola o parte di un gruppo più grande. I ricercatori hanno calcolato il "raggio di massa" di questi nucleoni legati, una misura di quanto i gluoni si estendano dal centro, e hanno scoperto che è più piccolo di quello di un protone libero.
Lo studio ha fornito anche nuovi vincoli sul meccanismo di produzione di queste particelle. Alcuni modelli suggerivano che la produzione di particelle J/psi potesse comportare scambi complessi di tre gluoni o la formazione temporanea di altre particelle esotiche. Tuttavia, il fatto che i risultati del neutrone e del protone fossero così coerenti tra loro, e che corrispondessero alle previsioni di un semplice modello di scambio di due gluoni, aiuta a restringere le possibilità, sebbene nessun singolo meccanismo sia stato conclusivamente escluso. I dati supportano l'idea che lo scambio di due gluoni sia un processo dominante, il che è essenziale per utilizzare queste reazioni come strumento per sondare la struttura gluonica della materia.
Guardando al futuro, questo lavoro è solo l'inizio. Il team ha raccolto solo circa il quaranta per cento dei dati che aveva originariamente pianificato di raccogliere, e intende tornare nei prossimi anni per completare il lavoro con una precisione ancora maggiore. Hanno inoltre pianificato di espandere la ricerca a nuclei atomici più pesanti, come il carbonio e il piombo, per vedere se la compressione della nuvola di gluoni diventi più pronunciata man mano che il nucleo diventa più grande. Queste misurazioni future saranno cruciali per l'imminente Electron-Ion Collider, una macchina di prossima generazione progettata per mappare l'interno del protone con un dettaglio senza precedenti. Per ora, questa prima misurazione del neutrone legato rappresenta una pietra miliare significativa, offrendo la prima prova concreta che il cuore gluonico dell'atomo batte diversamente quando fa parte di una famiglia.
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