Nel 1983, si è scoperto che la struttura interna di un nucleone – un protone o un neutrone – dipende dal suo ambiente1. Cioè, la struttura di un nucleone nello spazio vuoto è diversa dalla sua struttura quando è incorporato all’interno di un nucleo atomico. Tuttavia, nonostante un vigoroso lavoro teorico e sperimentale, la causa di questa modifica è rimasta sconosciuta. In un articolo su Nature, la CLAS Collaboration2 presenta prove che fanno luce su questa annosa questione.
L’avvento della fisica nucleare risale ai tempi di Ernest Rutherford, i cui esperimenti all’inizio del 1900 sullo scattering delle particelle α (nuclei di elio) da parte della materia rivelarono un nucleo compatto e denso al centro degli atomi3. Da allora, i fisici hanno lavorato per capire la struttura del nucleo atomico e la dinamica delle sue parti componenti. Allo stesso modo, dopo la rivelazione alla fine degli anni ’60 che i nucleoni stessi hanno costituenti interni chiamati quark4,5, un ampio lavoro si è concentrato sullo studio di questa struttura sottostante più profonda.
Per decenni, si è pensato generalmente che i nucleoni nei nuclei fossero strutturalmente indipendenti gli uni dagli altri e fossero essenzialmente influenzati dal campo nucleare medio prodotto dalle loro interazioni reciproche. Tuttavia, una domanda persistente era se i nucleoni fossero modificati quando erano all’interno di un nucleo, cioè se la loro struttura fosse diversa da quella di un nucleone libero. Nel 1983, una sorprendente scoperta della European Muon Collaboration (EMC) presso il laboratorio di fisica delle particelle CERN vicino a Ginevra, in Svizzera, ha fornito la prova di una tale modifica del nucleone1. La modifica, nota come effetto EMC, si è manifestata come una variazione nella distribuzione del momento dei quark all’interno dei nucleoni incorporati nei nuclei. Questo risultato è stato verificato da esperimenti successivi allo SLAC National Accelerator Laboratory di Menlo Park, California6,7, e al Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) di Newport News, Virginia8. Il pensiero attuale offre due possibili spiegazioni. La prima è che tutti i nucleoni in un nucleo sono modificati in qualche misura a causa del campo nucleare medio. La seconda è che la maggior parte dei nucleoni non sono modificati, ma che quelli specifici sono sostanzialmente alterati interagendo in quelle che sono chiamate coppie correlate a corto raggio (SRC) per brevi periodi di tempo (Fig. 1). Il presente documento fornisce prove definitive a favore della seconda spiegazione.
Figura 1 | Protoni e neutroni modificati nei nuclei. a, I nucleoni – neutroni e protoni – sono composti da particelle elementari chiamate quark. I neutroni contengono un quark ‘up’ e due quark ‘down’, mentre i protoni contengono due quark up e un quark down. b, Nei nuclei atomici, i nucleoni possono interagire brevemente in quelle che sono note come coppie correlate a corto raggio (SRC). La Collaborazione CLAS2 riporta prove che queste interazioni alterano la struttura interna dei nucleoni all’interno del nucleo.
L’effetto CEM viene misurato in esperimenti in cui gli elettroni vengono dispersi da un sistema di particelle, come un nucleo o un nucleone. Le energie degli elettroni sono selezionate in modo che le onde quantomeccaniche associate agli elettroni abbiano una lunghezza d’onda che corrisponde alle dimensioni del sistema di interesse. Per studiare l’interno di un nucleo, sono necessarie energie di 1-2 GeV (miliardi di elettronvolt). Per sondare la struttura di un sistema più piccolo, come un nucleone, sono necessarie energie più alte (lunghezze d’onda più piccole), in un processo chiamato deep inelastic scattering (DIS). Questo processo è stato fondamentale per la scoperta della sottostruttura a quark dei nucleoni4,5, che ha portato al premio Nobel per la fisica del 19909.
Negli esperimenti DIS, la velocità con cui avviene lo scattering è descritta da una quantità chiamata sezione d’urto di scattering. La grandezza dell’effetto CEM è determinata tracciando il rapporto tra la sezione d’urto per nucleone per un dato nucleo e quella per l’isotopo dell’idrogeno deuterio in funzione del momento del quark che viene colpito dall’elettrone. Se non ci fosse alcuna modifica del nucleone, questo rapporto avrebbe un valore costante di 1. Il fatto che questo rapporto diminuisca in funzione della quantità di moto per un dato nucleo indica che i singoli nucleoni nel nucleo sono in qualche modo modificati. Inoltre, il fatto che questa diminuzione avvenga più rapidamente se la massa del nucleo è aumentata, suggerisce che l’effetto CEM è potenziato per i nuclei più pesanti.
La Collaborazione CLAS ha usato i dati di diffusione degli elettroni presi al Jefferson Lab per stabilire una relazione tra la dimensione dell’effetto CEM e il numero di coppie neutrone-protone SRC in un dato nucleo. Una caratteristica chiave del lavoro è l’estrazione di una funzione matematica che include l’effetto delle coppie SRC sulla sezione d’urto di scattering e che si dimostra essere indipendente dal nucleo. Questa universalità fornisce una forte conferma della correlazione tra l’effetto EMC e le coppie SRC neutrone-protone. I risultati indicano che la modifica del nucleone è un effetto dinamico che nasce da variazioni di densità locali, invece di essere una proprietà statica del mezzo in cui tutti i nucleoni sono modificati dal campo nucleare medio.
Gli autori si sono concentrati sulle coppie neutrone-protone SRC per un motivo particolare: risulta che queste coppie sono più comuni delle loro controparti neutrone-neutrone o protone-protone. In questo senso, i nucleoni sono isofobici; cioè, nucleoni simili hanno meno probabilità di accoppiarsi che nucleoni dissimili. Quindi, a causa dell’asimmetria nel numero di neutroni e protoni nei nuclei di media massa e pesanti, la probabilità che i protoni formino coppie SRC neutrone-protone aumenta approssimativamente come il rapporto tra neutroni e protoni, mentre la probabilità che i neutroni facciano questo tende a stabilizzarsi10. La collaborazione CLAS ha usato questa caratteristica specifica per solidificare le sue conclusioni dimostrando una chiara differenza tra gli effetti EMC per protone e per neutrone per nuclei asimmetrici più pesanti del carbonio. Il fatto che questa distinzione emerga direttamente dai dati fornisce un ulteriore supporto all’interpretazione degli autori che la modifica del nucleone deriva dalla formazione di coppie SRC.
Una implicazione del presente studio è che le informazioni dedotte sui neutroni liberi dagli esperimenti DIS sul deuterio o su nuclei più pesanti devono essere corrette per l’effetto EMC per tenere conto della modifica dei neutroni nel mezzo nucleare. Un’altra conseguenza riguarda gli esperimenti attuali e futuri in cui i neutrini o le loro antiparticelle (antineutrini) sono dispersi da nuclei asimmetrici. Poiché protoni e neutroni hanno diverse composizioni di quark, e poiché i protoni sono più fortemente influenzati dalla modifica del mezzo rispetto ai neutroni, le sezioni d’urto di diffusione di neutrini e antineutrini possono mostrare variazioni che potrebbero essere erroneamente attribuite a un effetto di qualche fisica esotica – come le carenze nel modello standard della fisica delle particelle, o possibili meccanismi per comprendere l’asimmetria tra materia e antimateria nell’Universo. Prima che qualsiasi affermazione del genere possa essere fatta, le differenze nell’effetto CEM per protoni e neutroni dovrebbero essere prese in considerazione.