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I fisici dei neutroni sono sorpresi: la fluttuazione delle caratteristiche elettromagnetiche non si adatta ai modelli teorici

Un’oscillazione sconcertante: i fisici hanno rimisurato le proprietà di un neutrone e hanno notato cose sorprendenti. Perché i fattori di forma elettromagnetici dell’unità base non cambiano in modo uniforme con l’aumento della potenza, ma piuttosto fluttuano periodicamente. Questa oscillazione, che è già stata osservata nel protone, non può essere spiegata teoricamente, ha spiegato il team su Nature Physics. Tuttavia, indica la struttura interna di un neutrone che è più dinamica e complessa del previsto.

Protoni e neutroni, ciascuno composto da tre quark, sono gli elementi costitutivi della materia: insieme formano il nucleo atomico. Ma nonostante questa fondamentale importanza, gli ingredienti di base esistono ancora puzzle occupazione. Anche con funzionalità di base come duratae dimensione e struttura interna Ci sono grandi dubbi. Inoltre, i fisici osservano ripetutamente fenomeni che non corrispondono ai modelli teorici.

Il segreto del fattore di forma

Una nuova visione delle proprietà dei neutroni è stata ora realizzata dai fisici della collaborazione BESIII. L’obiettivo dell’esperimento era determinare in modo più accurato i cosiddetti fattori di forma elettromagnetica del neutrone. Descrivono la distribuzione media della carica elettrica e magnetica all’interno di un neutrone, e quindi forniscono indizi sul comportamento e la disposizione dei tre quark collegati tramite gluoni al suo interno.

“Il singolo fattore di forma, misurato a una data energia, all’inizio non dice molto”, spiega Frank Maas dell’Helmholtz Institute Mainz (HIM). “Solo conoscere i fattori di forma a diverse energie consente di trarre conclusioni sulla struttura del neutrone”. Poiché non sono state effettuate misurazioni nell’intervallo di energia da 2 a 3,8 gigaelettronvolt, il team ha ora colmato questo divario con esperimenti di annichilazione.

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Per fare ciò, i fisici hanno esaminato le proprietà dei neutroni e degli antineutroni creati quando gli elettroni e i positroni si sono scontrati nell’acceleratore di particelle BESIII in Cina. “Metaforicamente parlando, abbiamo riempito una regione vuota sulla mappa del fattore di forma dei neutroni con nuovi dati”, afferma Maas.

L’oscillazione non è coerente con i modelli

Le analisi hanno fornito diverse nuove scoperte. Uno di questi: a seconda dell’energia, il fattore di forma del neutrone non produce una linea liscia, ma piuttosto un modello oscillante. Con l’aumento della potenza, le deviazioni diventano sempre più piccole. Questo comportamento improvviso rappresenta una chiara deviazione dal comportamento previsto, spiegano i fisici. Tuttavia, tale oscillazione è stata recentemente osservata anche nel protone.

“Ora stiamo osservando un comportamento identico a una frequenza simile anche nel neutrone, ma con un grande sfasamento”, hanno scritto gli scienziati. “Questi risultati indicano che non ci sono dinamiche intrinseche ancora comprese nei nucleoni responsabili di queste oscillazioni approssimativamente ortogonali”. In altre parole: c’è qualcosa che sta accadendo all’interno dei componenti principali che i modelli attuali non hanno ancora rilevato.

“Ora, in teoria, ai nostri colleghi viene chiesto di sviluppare modelli per questo comportamento straordinario”, afferma Maas.

Deviazione precedente confutata

Tuttavia, le nuove misurazioni rivelano anche che la discrepanza nelle misurazioni precedenti non sembra esistere, dopo tutto. I ricercatori hanno dimostrato un accoppiamento più forte con i fotoni virtuali di un neutrone rispetto a un protone, quindi un neutrone deve mostrare costantemente un fattore di forma maggiore di un protone. Ma questo contraddice le teorie di base: “Dal momento che il protone è carico, ci si aspetterebbe che sia l’esatto contrario”, afferma Maas.

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I dati dell’esperimento BESIII ora confutano la scoperta precedente: “Il nostro risultato mostra che l’interazione fotone-protone è più forte della corrispondente interazione fotone-neutrone, come previsto dalla maggior parte dei modelli teorici”, ha scritto il team. “Questo risolve un enigma di più di 20 anni su questa interazione”.

Importante anche per l’astrofisica

I nuovi dati di misurazione aiutano quindi a risolvere almeno alcuni degli enigmi su questi elementi costitutivi della materia. Anche se molte delle proprietà fondamentali del neutrone e del protone non sono affatto completamente comprese, forniscono almeno nuovi punti di partenza per la ricerca sui loro elementi costitutivi di base e sul loro comportamento.

Questi risultati non solo avvantaggiano la ricerca sulla fisica delle particelle e dei materiali, ma possono anche fornire nuove intuizioni sull’astrofisica: “Guardando i più piccoli elementi costitutivi della materia, possiamo anche comprendere i fenomeni che si verificano nelle dimensioni più grandi, come la fusione di due neutroni stelle “Mas dice: questa fisica degli estremi è così bella” (Nature Physics, 2021; doi: 10.1038/s41567-021-01345-6)

Fonte: Università di Mainz