La ricerca per mappare l’interno del protone

“Come sono distribuite la materia e l’energia?” si è chiesto Peter Schweitzer, fisico teorico dell’Università del Connecticut. “Non lo sappiamo.”

Schweitzer ha trascorso gran parte della sua carriera riflettendo sul lato gravitazionale del protone. Nello specifico, è interessato a una matrice di proprietà del protone chiamata tensore energia-momento. “Il tensore energia-impulso sa tutto quello che c’è da sapere sulla particella”, ha detto.

Nella teoria della relatività generale di Albert Einstein, che considera l’attrazione gravitazionale come oggetti che seguono curve nello spazio-tempo, il tensore energia-momento dice allo spazio-tempo come piegarsi. Descrive, ad esempio, la disposizione dell’energia (o, equivalentemente, della massa), la fonte della maggior parte della torsione dello spazio-tempo. Tiene traccia anche delle informazioni su come viene distribuita la quantità di moto, nonché su dove ci sarà compressione o espansione, che possono anche curvare leggermente lo spazio-tempo.

Se potessimo conoscere la forma dello spazio-tempo che circonda un protone, cosa che i fisici russi e americani elaborarono indipendentemente negli anni ’60, potremmo dedurre tutte le proprietà indicizzate nel suo tensore energia-momento. Questi includono la massa e lo spin del protone, che sono già noti, insieme alla disposizione delle pressioni e delle forze del protone, una proprietà collettiva che i fisici chiamano il “termine Druck”, dalla parola tedesca per pressione. Questo termine è “importante quanto la massa e lo spin, e nessuno sa cosa sia”, ha detto Schweitzer, anche se le cose stanno iniziando a cambiare.

Negli anni ’60, sembrava che la misurazione del tensore energia-impulso e il calcolo del termine Druck richiedessero una versione gravitazionale del consueto esperimento di diffusione: si lancia una particella massiccia contro un protone e si lascia che i due si scambino un gravitone, l’ipotetica particella che costituisce le onde gravitazionali, anziché un fotone. Ma a causa dell’estrema debolezza della gravità, i fisici si aspettano che la diffusione dei gravitoni avvenga 39 ordini di grandezza più raramente della diffusione dei fotoni. Gli esperimenti non possono rilevare un effetto così debole.

“Ricordo di aver letto questo argomento quando ero studente”, ha detto Volker Burkert, un membro del team del Jefferson Lab. La conclusione è stata che “probabilmente non saremo mai in grado di imparare nulla sulle proprietà meccaniche delle particelle”.

Gravità senza gravità

Gli esperimenti gravitazionali sono ancora inimmaginabili oggi. Ma la ricerca condotta tra la fine degli anni ’90 e l’inizio degli anni 2000 dai fisici Xiangdong Ji e, lavorando separatamente, dal compianto Maxim Polyakov, ha rivelato una soluzione alternativa.

Lo schema generale è il seguente. Quando si lancia leggermente un elettrone contro un protone, di solito questo consegna un fotone a uno dei quark e si allontana. Ma in meno di un evento su un miliardo accade qualcosa di speciale. L’elettrone in arrivo invia un fotone. Un quark lo assorbe e poi emette un altro fotone un battito cardiaco dopo. La differenza fondamentale è che questo raro evento coinvolge due fotoni invece di uno, sia in entrata che in uscita. I calcoli di Ji e Polyakov mostrarono che se gli sperimentali potessero raccogliere l’elettrone, il protone e il fotone risultanti, potrebbero dedurre dalle energie e dalla quantità di moto di queste particelle cosa è successo con i due fotoni. E quell’esperimento con due fotoni sarebbe essenzialmente altrettanto informativo quanto l’impossibile esperimento di diffusione dei gravitoni.