OP HERA

Il modello standard raccoglie tutte le conoscenze sicure sulla fisica delle particelle. Esso descrive i mattoni elementari della materia e le regole a cui essi obbediscono. Tutta la materia è composta da quark e leptoni (a questi appartiene anche l'elettrone). Le quattro forze elementari che operano fra le particelle vengono trasmesse da particelle mediatrici (che sono il gravitone per la gravitazione; il fotone per la forza elettromagnetica; i bosoni W e Z per la forza debole; il gluone per la forza forte). Tutte queste particelle sono «puntiformi»; qui il termine significa solo che, anche in esperimenti con la massima risoluzione, non è possibile misurare effetti riconducibili a una loro estensione.
L'intensità di ognuna delle quattro forze fondamentali viene determinata attraverso proprietà delle particelle che possono essere descritte come cariche generalizzate. Nel caso dell'elettromagnetismo questa proprietà è la ben nota carica elettrica, mentre nel caso della gravitazione è la massa. Le forze, debole e forte, non appartengono alla nostra esperienza quotidiana: anche i concetti di «carica debole» e «carica di colore» introdotti per queste proprietà dai fisici rimangono dunque un po' astratti.
Queste diverse cariche vengono misurate con unità differenti: per esempio la massa in grammi e la carica elettrica in coulomb. Per poter confrontare direttamente le forze, i fisici delle particelle usano però, in luogo delle cariche, costanti di accoppiamento adimensionali. Quanto più grande è questa costante, tanto più intensa è la radiazione della particella mediatrice, e quindi tanto maggiore è la forza.

È la massa delle particelle mediatrici a determinare essenzialmente in che modo la forza dipenda dalla distanza (vedi teoria di Yukawa) se la massa è nulla, come nel caso del fotone e del gravitone (ricordiamo essere le particelle mediatrici rispettivamente della forza elettromagnetica e della gravitazione), il raggio di azione della forza è infinito; perciò noi conosciamo queste forze anche dal nostro mondo macroscopico nella vita quotidiana. I cosiddetti bosoni W e Z, mediatori della forza debole, hanno invece una massa un centinaio di volte maggiore di quella del protone; perciò il raggio d'azione della forza debole è limitato alla centesima parte del diametro del protone, ossia 2x10^-18 metri.
La situazione è completamente diversa nel caso della forza forte. Benchè le sue particelle mediatrici - i gluoni - siano prive di massa, il suo raggio d'azione è pari solo al raggio del protone (circa 10^-15 metri). Il valore delle costanti di accoppiamento forti è quindi così piccolo che solo per distanze molto minori del raggio del protone noi possiamo usare l'immagine di singole particelle e risolvere le equazioni della cromodinamica quantistica (QCD) nello stesso modo già usato nella QED. Per distanze maggiori la costante di accoppiamento, in conseguenza delle interazioni con i gluoni, portatori della carica di colore, diventa così grande che è impossibile, per esempio, separare dagli altri, uno dei tre quark che formano il protone. Qui falliscono anche i metodi di calcolo della QCD, e finora non si sono potute trovare risposte teoriche soddisfacenti alle domande sulla struttura del protone o sul confinamento dei quark e dei gluoni nel protone. Per poter andare oltre bisogna affidarsi innanzitutto a ricerche sperimentali, come quelle che vengono condotte nel collisore Hera.

La forza nucleare forte propone ancora diversi enigmi: in che modo quark e gluoni si uniscono a formare il protone? Come varia la forza forte al variare della distanza fra coppie di particelle? Perchè quark e gluoni sono sempre racchiusi all'interno di particelle come protoni e neutroni e non possono mai essere osservati come particelle libere? Le quattro forze fondamentali possono avere un'origine comune, come sospetta la maggior parte dei fisici, ed essere descritte da una teoria unitaria?
Gli esperimenti condotti con gli acceleratori di particelle, come quelli eseguiti nel collisore Hera, ad Amburgo, hanno dato un contributo essenziale a trovare risposte a queste domande.Hera (acronimo di Hadron-Elektron-Ring-Anlage, ossia «impianto ad anello per adroni ed elettroni») è il più importante acceleratore di particelle del Laboratorio DESY (Deutsches Elektronen-Synchroton). L'impianto è formato da due anelli di accelerazione di 6336 metri di circonferenza ciascuno, costruiti a una profondità di circa 30 metri in un tunnel sotto i quartieri urbani di Bahrenfeld e di Lurup. Un anello accelera elettroni (ma volendo anche le loro antiparticelle, i positroni), portandoli fino a un'energia di 27.5GeV, mentre l'altro accelera protoni fino a un'energia di 920GeV.Nel vuoto spinto dei due anelli di accumulazione, elettroni e protoni sfrecciano per ore in direzione opposta. Essi viaggiano quasi alla velocità della luce, percorrendo il loro itinerario circa 47'000 volte in un secondo e si scontrano frontalmente in due spazi sperimentali. Qui hanno luogo gli esperimenti chiamati H1 e Zeus: rivelatori grandi come case, del peso di varie migliaia di tonnellate, registrano gli urti fra le particelle e le tracce delle particelle secondarie che si generano nelle collisioni. Delle molte migliaia di tali eventi che si verificano ogni secondo, quelli più interessanti vengono registrati per la successiva interpretazione.
Il modello standard raccoglie tutte le conoscenze sicure sulla fisica delle particelle. Esso descrive i mattoni elementari della materia e le regole a cui essi obbediscono. Tutta la materia è composta da quark e leptoni (a questi appartiene anche l'elettrone). Le quattro forze elementari che operano fra le particelle vengono trasmesse da particelle mediatrici (che sono il gravitone per la gravitazione; il fotone per la forza elettromagnetica; i bosoni W e Z per la forza debole; il gluone per la forza forte). Tutte queste particelle sono «puntiformi»; qui il termine significa solo che, anche in esperimenti con la massima risoluzione, non è possibile misurare effetti riconducibili a una loro estensione.
Gli esperimenti di H1 e Zeus condotti con Hera hanno potuto misurare con maggior precisione l'intensità di questa forza che opera fra i quark. Dalle misurazioni compiute con Hera era noto che i quark presenti nel protone emettono gluoni, e che questi generano a loro volta altri gluoni o coppie quark-antiquark. La maggior parte dei fisici era però convinta che, oltre ai tre quark di valenza, nel protone si trovassero solo poche coppie quark-antiquark e solo pochi gluon, e che il protone fosse dunque quasi vuoto. Secondo le nuove misurazioni, invece, l'interno di un protone assomiglia a un brodo spesso, ribollente, in cui gluoni e coppie quark-antiquark vengono incessantemente emesse e di nuovo annichilate. Questa grande densità dell'emissione dei gluoni rappresenta uno stato completamente nuovo, finora non investigato, della forza forte. A nostro avviso si deve proprio a questo stato se quark e gluoni sono «confinati» all'interno del protone, e non sono quindi mai osservabili come particelle libere.
Hera ha fornito anche un'altra grande sorpresa: gli sperimentatori prospettavano che, nelle violente collisioni che si producono in acceleratori di grande potenza, i protoni si frantumassero in un gran numero di nuove particelle. Nel 15 per cento degli urti il protone è rimasto invece integro, anche se aveva subito una vigorosa interazione. Ma come può un protone sopravvivere alla collisione, quando ne viene fatto schizzare violentemente via un quark? La cosa sembra dapprima del tutto incomprensibile. Essa dipende chiaramente da una proprietà straordinaria della forza forte, che dovrebbe aiutarci a capire perchè quark e gluoni rimangono confinati nel protone.La scoperta di questi eventi ha condotto un'intensa collaborazione fra fisici teorici e sperimentali. Entrambi gli esperimenti condotti al collisore Hera - H1 e Zeus - furono variati per estendere le misurazioni a valori di impulso ancora minori e per poter meglio investigare i protoni diffusi. I teorici tentano innanzitutto, con l'aiuto di modelli, di spiegare l'elevata densità dell'emissione di gluoni nel processo di diffusione. Questa ricerca ha fatto nel frattempo grandi passi avanti. E forse si riuscirà presto a capire come la forte emissione di gluoni possa impedire che dal processo di diffusione emergano quark e gluoni come particelle libere e come i protoni possano restare intatti.
Riepiloghiamo ancora una volta: gli esperimenti compiuti col collisore Hera, usando elettroni come sonde, hanno portato sotto la lente di questo supermicroscopio la struttura del protone e le forze fondamentali della natura, permettendo di osservarle con una risoluzione mai raggiunta prima. In quest'ambito, divenuto per la prima volta accessibile alla misurazione, la forza debole e la forza elettromagnetica si comportano esattamente come è stato predetto dal modello standard della fisica delle particelle; benchè a grandi distanze le loro intensità siano del tutto diverse, esse hanno tuttavia un'origine comune. La differenza dipende dalla diversità di massa delle particelle mediatrici.La teoria della forza forte (la cromodinamica quantistica) è stata confermata nel modo più esatto alle piccole distanze. La struttura del protone si è rilevata molto complessa, poichè nel caso di piccoli impulsi la densità dei quark e gluoni è assai elevata. Inoltre, contro ogni attesa, dal processo di diffusione i protoni emergono spesso intatti. Le due nuove osservazioni ripropongono in forma del tutto nuova la domanda fondamentale:

«Perchè quark e gluoni sono imprigionati nell'interno del protone?».

L'Autore:
ROBERT KLANNER è professore di fisica sperimentale all'Università di Amburgo e dal dicembre 1999 è direttore di ricerca del Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), nella stessa città. Al centro dei suoi interessi ci sono lo sviluppo di rivelatori di particelle e l'investigazione dell'interazione forte e della struttura degli adroni. Prima di trasferirsi ad Amburgo, nel 1984, aveva già lavorato con vari grandi acceleratori: a Serpuchov (in Russia), al Fermilab, presso Chicago, e al Laboratorio europeo per la fisica delle particelle (CERN) a Ginevra.

Bibliografia:
Maianni Luciano, La fisica delle particelle, «Le Scienze quaderni» nr. 103, settembre 1998
Rith Klaus e Schäfer Andreas, Il mistero dello spin dei nucleoni, in «Le Scienze» nr. 173, settembre 1999

Perché il titolo OPHERA a questo post? Perche secondo la MT gli incredibili risultati dell’esperimento Opera condotto dall’equipe del Professor Antonio Ereditato tra il CERN di Ginevra e i laboratori sotterranei del Gran Sasso sono strettamente correlati a quelli ottenuti in HERA di cui al precedente articolo che si chiude con la domanda :
Perché quark e gluoni sono imprigionati all'interno del protone?".
Una struttura come un protone, composto da particelle localizzate (quark) che si scambiano bosoni massivi (gluoni) non può essere stabile, perché non rispetta la legge di conservazione della quantità di moto che, anche su scala quantistica, rimane valida e operante (vedi effetto Moessbauer). Ora tre quark che si scambiano gluoni dovrebbero rinculare oltre che assorbire la quantità di moto dei gluoni ricevuti e il protone espoderebbe a meno che una forza esterna di compressione, esercitata da uno spazio fisico "materiale", non confini i quark. Ma questo tipo di azione è concepibile, al di là delle previsioni del modello standard che prevede particelle puntiformi, solo adottando un modello in cui le particelle sono de - localizzato in onde di materia, come ipotizzato Louis De Broglie.
“Quasi particelle” come solitoni o dromioni che costituiscono perturbazioni di uno spazio "fisico e materiale" circostante, ovvero degli stessi campi cui appartengono. La variazione di frequenza delle onde determina la modulazione della spinta e della contro spinta che serve a mantenere l'equilibrio tra interno ed esterno, in modo, ad esempio, che quando un quark viene “strappato” ad un protone la materia possa rapidamente “ripararsi” e ristabilire l’equilibrio.
I neutrini, quindi, invece di superare la velocità della luce potrebbero aver semplicemente essersi "scavati" un tunnel attraverso un tale tipo di spazio, sottoattraversando le geodetiche impresse dalla gravità terrestre allo spazio-tempo ; in altre parole le geodetiche luce non sarebbero piu’ le linee di minima distanza tra punti. In luogo dello spazio – tempo esisterebbe un normale spazio euclideo tridimensionale che può essere attraversato anche in linea tendenzialmente retta dove a curvarsi non è lo spazio – tempo, ma la radiazione elettromagnetica.
D’altro canto, escludendo errori statistici e sistematici, o i neutrini sono stati piu veloci della luce (con tutte le conseguenze teoriche del caso ) o hanno preso una "scorciatoia". Questo salverebbe capra (esperimento) e cavoli (insuperabilità di c). Ma questa "scorciatoia", come un tunnel, ha bisogno di "qualcosa di reale" per esservi “scavato”. L’esperimento Alice condotto al Large Hadron Collider (LHC) potrebbe rilevare uno spettro continuo di emissione/assorbimento delle collisioni tra protoni come "biglietto da visita" di queste onde di materia costituite dalle “quasi particelle”.Tenendo, infine, presente che fino ad ora, l'esperimento Atlas, sempre condotto presso LHC, ha escluso l'esistenza del bosone di Higgs in un vasto range di massa/energia, si può ipotizzare che, anche per l’omonimo campo, si possa avere sui rivelatori una distribuzione sempre piu’ omogenea dei dati statistici con riduzione dei "picchi" all'aumentare dell’energia a indicare la presenza di massa /energia delocalizzata in luogo di bosoni vettori di massa localizzati.

Stefano Gusman