I fisici teorici presentano un calcolo significativamente migliorato del raggio del protone.

6 ottobre 2023

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corretto da Renée Dillinger-Reiter, Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Un gruppo di fisici teorici presso la Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) è riuscito ancora una volta a migliorare significativamente i loro calcoli del raggio di carica elettrica del protone pubblicati nel 2021. Per la prima volta hanno ottenuto un risultato sufficientemente preciso completamente senza l'uso di dati sperimentali.

Quanto alla dimensione del protone, questi nuovi calcoli favoriscono anche il valore più piccolo. Allo stesso tempo, i fisici hanno ottenuto per la prima volta una previsione stabile della teoria per il raggio di carica magnetica del protone. Tutte le nuove scoperte possono essere trovate in tre preprint pubblicati sul server arXiv.

Tutti i nuclei atomici conosciuti sono composti da protoni e neutroni, tuttavia molte delle caratteristiche di queste ubiquitarie particelle nucleoniche restano ancora da comprendere. In particolare, nonostante diversi anni di sforzi da parte degli scienziati, non è stato possibile determinare il raggio del protone. Nel 2010, il risultato di una nuova tecnica di misurazione del raggio del protone che coinvolge la spettroscopia laser dell'idrogeno muonico ha suscitato scalpore - in questo "speciale" tipo di idrogeno, l'elettrone nella shell dell'atomo è stato sostituito dal suo parente più pesante, il muone, che è una sonda molto più sensibile per le dimensioni del protone.

Gli sperimentatori hanno ottenuto un valore significativamente più piccolo rispetto a quello ottenuto seguendo le corrispondenti misurazioni dell'idrogeno "normale" così come il metodo tradizionale di determinazione del raggio del protone mediante scattering elettrone-protone. La grande domanda che i fisici si sono posti da allora è se questa deviazione potesse essere una prova di nuove fisiche al di là del Modello Standard o semplicemente rifletta incertezze sistematiche intrinsic a differenti metodi di misurazione.

Negli ultimi anni, ci sono state sempre più prove che il valore sperimentale più piccolo sia quello corretto, ossia che non ci siano nuove fisiche dietro l'enigma del raggio del protone. I calcoli teorici contribuiscono significativamente a rispondere definitivamente a questa domanda. Già nel 2021, i ricercatori guidati dal Prof. Dr. Hartmut Wittig del Cluster di Eccellenza PRISMA+ di Mainz sono riusciti a eseguire i cosiddetti calcoli a reticolo con una precisione sufficiente per fornire un altro indizio affidabile del raggio protonico più piccolo.

"Nel frattempo, abbiamo compiuto un altro grande passo avanti", spiega Hartmut Wittig. "Ad esempio, Miguel Salg, uno studente di dottorato nel mio gruppo di ricerca, ha ottenuto risultati molto interessanti che migliorano e ampliano ancora una volta i nostri calcoli precedenti."

Due anni fa, il gruppo di ricerca di Mainz aveva calcolato solo il cosiddetto raggio isovettore, che non è lo stesso del raggio del protone. Avevano determinato il valore pubblicato all'epoca per il raggio del protone aggiungendo dati sperimentali per il raggio del neutrone. "Nel frattempo, abbiamo anche calcolato le frazioni che mancavano all'epoca, aumentato le nostre statistiche e meglio vincolato gli errori sistematici, in modo da poter ora dispensare completamente dei dati sperimentali per la prima volta," afferma Miguel Salg.

"Inoltre, siamo stati in grado di verificare fino a che punto il nostro risultato del 2021 sia valido per il calcolo diretto completo - con il risultato che anche il valore del 2021 è corretto." "Per quanto riguarda l'enigma del raggio del protone, possiamo tranquillamente dire che anche con i nuovi calcoli, le prove continuano ad aumentare che il raggio del protone è correttamente descritto dal valore più piccolo," afferma Hartmut Wittig.

I calcoli dei fisici di Mainz si basano sulla teoria della cromodinamica quantistica (QCD). Essa descrive l'interazione delle forze nel nucleo atomico: l'interazione forte lega i quark, i mattoni elementari della materia, per formare protoni e neutroni ed è mediata dai gluoni che agiscono come particelle di scambio. Per poter trattare questi processi matematicamente, gli scienziati di Mainz si basano su quella che viene chiamata teoria dei campi reticolari.

In questo caso, come in un cristallo, i quark sono distribuiti sui punti di una griglia spaziotemporale discreta. Metodi di simulazione speciali possono quindi essere utilizzati per calcolare le proprietà dei nucleoni utilizzando supercomputer: in un primo passaggio, i cosiddetti fattori di forma elettromagnetica. Questi descrivono la distribuzione di carica e magnetizzazione all'interno del protone. Da questi, a loro volta, può essere determinato il raggio del protone.

In addition to the electric charge radius, which has been discussed so far, the proton also has a magnetic charge radius, which also poses a puzzle. The Mainz theorists have also calculated this property on the basis of QCD. 'One could illustrate the different radii in a very simplified way by the expansion of an accumulation of electric or magnetic charge given by the proton, which an incoming electron 'sees' in the scattering process,' Hartmut Wittig explains.

The Mainz group also obtained a stable prediction for the magnetic charge radius for the first time, based purely on theoretical calculations. 'Furthermore, from the precise knowledge of the electric and magnetic form factors, we were able to derive for the first time the so-called Zemach radius of the proton purely from QCD, which is an important input quantity for the experimental measurements on muonic hydrogen. This shows once again how far the quality of lattice QCD calculations has advanced in the meantime,' Hartmut Wittig concludes.

Dalibor Djukanovic et al, Precision calculation of the electromagnetic radii of the proton and neutron from lattice QCD, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2309.07491

Dalibor Djukanovic et al, Zemach radius of the proton from lattice QCD, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2309.17232

Journal information: arXiv

Provided by Johannes Gutenberg University Mainz