Parton distribution functions of the proton in a hot isospin-asymmetric nuclear medium and finite nuclei

Dentro ogni atomo, il nucleo è una stanza affollata di protoni e neutroni, legati insieme da forze così forti da sfidare la nostra intuizione quotidiana. Ma questi protoni e neutroni non sono biglie solide e indivisibili; sono sistemi complessi fatti di particelle ancora più piccole chiamate quark. In un protone libero, che fluttua da solo nello spazio, questi quark si muovono con un certo ritmo e distribuzione, portando quantità specifiche di energia e spin. Tuttavia, quando un protone è intrappolato all'interno di un nucleo, schiacciato dai suoi vicini, l'ambiente cambia. La domanda che ha tormentato i fisici per decenni è se questo ambiente affollato alteri la struttura interna del protone stesso. La "personalità" del protone cambia quando è legato, o rimane esattamente la stessa di quando è isolato? Questo è il cuore del mistero noto come effetto EMC, chiamato così dalla European Muon Collaboration che per prima notò una strana discrepanza nel modo in cui gli elettroni si diffondono contro il ferro rispetto agli elementi più leggeri.

Per rispondere a questo, un team di ricercatori indiani si è messo in viaggio per mappare il paesaggio interno di un protone in condizioni estreme. Si sono concentrati su tre modi specifici in cui i quark all'interno di un protone possono essere disposti: come sono distribuiti in base alla loro velocità, come ruotano (spin) nella direzione del moto del protone e come ruotano lateralmente. Queste sono le proprietà fondamentali che definiscono l'identità del protone. I ricercatori volevano vedere come queste proprietà cambino quando il protone viene posto in un mezzo nucleare "caldo" e "asimmetrico". In questo contesto, "caldo" significa che l'ambiente ha una temperatura elevata, simile alle condizioni che si sono verificate subito dopo il Big Bang o all'interno della collisione di ioni pesanti, mentre "asimmetrico" si riferisce a una miscela in cui ci sono significativamente più neutroni che protoni, uno stato comune nei nuclei densi di atomi pesanti.

Il team ha utilizzato un sofisticato quadro teorico per simulare questo ambiente. Invece di cercare di risolvere la matematica impossibile di ogni singola interazione, hanno modellato il protone come un quark centrale che osserva una coppia di altri quark, noti come diquark, che agisce da spettatore. Hanno poi calcolato come le masse di queste particelle cambiano quando sono immerse in una zuppa nucleare densa. Nel vuoto dello spazio vuoto, queste particelle hanno masse fisse, ma all'interno di un nucleo, gli intensi campi intorno a loro le rendono effettivamente più leggere. I ricercatori hanno inserito queste nuove masse più leggere nel loro modello per vedere come i quark si sarebbero riorganizzati. Hanno eseguito queste simulazioni per un intervallo di densità, dal vuoto fino alla densità di saturazione presente al centro di un nucleo atomico, e a temperature pari a zero e a un valore molto alto di 0,1 GeV.

I risultati hanno rivelato un modello chiaro e coerente. Man mano che la densità della materia nucleare circostante aumentava, i quark all'interno del protone iniziavano a comportarsi diversamente. Il cambiamento più evidente è stato nella distribuzione del loro momento. In un protone libero, i quark tendono a raggrupparsi attorno a una velocità specifica e moderata. Ma man mano che il protone viene schiacciato, questo raggruppamento si appiattisce e si sposta. Il picco della distribuzione si sposta verso velocità più elevate, il che significa che i quark, in media, trasportano una frazione maggiore del momento totale del protone. Questo spostamento è avvenuto per tutti e tre i tipi di distribuzioni studiati dal team, ma l'effetto non è stato uniforme. I cambiamenti sono stati più drammatici per lo spin laterale dei quark, noto come trasversità, e per lo spin longitudinale, noto come elicità. La distribuzione dei quark basata puramente sulla loro velocità è cambiata meno. Ciò suggerisce che la struttura di spin interna del protone è molto più sensibile al suo ambiente rispetto alla sua struttura di velocità di base.

I ricercatori hanno anche esaminato come la temperatura e lo squilibrio tra protoni e neutroni abbiano influenzato i risultati. Hanno scoperto che, sebbene il calore abbia un impatto, è la densità della materia nucleare a guidare i cambiamenti più significativi. L'aumento della temperatura contrasta leggermente gli effetti della densità, riportando le distribuzioni dei quark verso il loro stato originale, simile al vuoto, ma la densità rimane la forza dominante. Quando hanno osservato la differenza tra un ambiente nucleare bilanciato e uno ricco di neutroni extra, i cambiamenti erano presenti ma molto più piccoli di quelli causati dalla densità o dal calore. I quark hanno risposto con più forza alla pura pressione della folla, piuttosto che alla specifica miscela di vicini.

Per rendere questi risultati rilevanti nel mondo reale, il team ha applicato i propri calcoli a quattro nuclei atomici specifici e pesanti: calcio, ferro, oro e piombo. Hanno utilizzato un modello che tiene conto di come la densità vari dal centro di un nucleo al suo bordo. Al centro di questi atomi pesanti, la densità è massima e la struttura interna del protone è più modificata. Interessante è che hanno scoperto che la modifica dipende dalla densità locale al centro del nucleo, e non semplicemente su quanto sia pesante il nucleo. Ad esempio, il protone al centro di un nucleo di piombo, che ha una densità centrale inferiore rispetto a un nucleo di calcio, mostrava un grado di modifica diverso da quello che ci si potrebbe aspettare se contasse solo il numero totale di particelle. Ciò suggerisce che l'effetto di "schiacciamento" è un fenomeno locale, determinato dal vicinato immediato del protone.

Lo studio ha anche calcolato numeri specifici che descrivono lo spin e la struttura del protone, noti come cariche. In un protone libero, la carica assiale, che misura il contributo totale dello spin dei quark, è un valore di ,128. Nel denso mezzo nucleare alla densità di saturazione, questo valore scende significativamente a 0,844. Ciò conferma che i quark all'interno di un protone legato contribuiscono meno allo spin complessivo del protone rispetto a quando il protone è libero. Anche la carica tensore, che si riferisce allo spin laterale, è cambiata, con il contributo del quark "up" che diminuisce e quello del quark "down" che aumenta in magnitudo. Questi spostamenti forniscono un quadro quantitativo di come la macchina interna del protone venga riprogrammata dall'ambiente nucleare.

In definitiva, questo lavoro fornisce una mappa dettagliata di come i mattoni fondamentali della materia si adattino al proprio ambiente. Dimostra che un protone non è un oggetto statico con una struttura interna fissa; piuttosto, è un sistema dinamico che si rimodella in risposta alla pressione e alla temperatura del suo ambiente. I risultati suggeriscono che i cambiamenti osservati nei nuclei pesanti sono guidati principalmente dalla densità della materia nucleare, che altera la massa efficace dei quark e, di conseguenza, la loro distribuzione di momento e spin. Sebbene lo studio si basi su simulazioni teoriche piuttosto che su misurazioni dirette, offre una spiegazione coerente del perché la struttura interna dei nucleoni legati differisca da quella dei nucleoni liberi, puntando verso un futuro in cui l'interazione tra densità, temperatura e spin possa essere pienamente compresa nel complesso mondo della fisica nucleare.