LA STRUTTURA DEL PROTONE Vincenzo Barone Università del Piemonte Orientale!
Quasi tutta la massa ordinaria (più del 99%) è concentrata nei nucleoni (protoni e neutroni). Ma
Copernicanesimo estremo Composizione dell universo: Materia visibile 5 % Materia oscura 25 % Energia oscura 70 %
Id del protone Massa (938.272013 ±0.000023) MeV/c² frequenza di ciclotrone Spin 1/2 gruppo di Poincaré Raggio quadratico medio (elettrico) (0.8768 ±0.0069) fm fattori di forma spettroscopia atomica
Ultime notizie sul raggio del protone R. Pohl et al., Nature 466, 8 July 2010 Nell idrogeno muonico (che ha un raggio di Bohr molto più piccolo) l effetto del raggio finito del protone è accentuato. La misura è molto precisa e differisce di 5 σdal valore CODATA
I nucleoni sono costituiti da quark e gluoni La teoria delle interazioni tra quark e gluoni è la cromodinamica quantistica (QCD) Due linee di ricerca: Investigare sperimentalmente e fenomenologicamente la struttura dei nucleoni Derivare le proprietà dei nucleoni dalla teoria fondamentale
Gli strumenti sperimentali HERA Tevatron JLAB
Gli strumenti teorici La cromodinamica quantistica (QCD) perturbativa (applicabile solo in presenza di grandi scale di energia) Nel regime non perturbativo: QCD su reticolo (richiede un enorme potenza di calcolo) Modelli a quark (non relativistico, bag, solitone chirale, ecc.)
Il cammino verso la struttura del protone
Primi indizi di una struttura composta A partire dalla fine degli anni 40 il numero di particelle comincia a crescere vertiginosamente La possibilità che siano tutte elementari, cioè prive di struttura interna, appare remota Fermi e Yang (1949), primo modello composto: il pione come stato legato protone-antiprotone pbar p pione L idea, riveduta e corretta, sarà riportata in auge negli anni 60
Evidenza sperimentale della struttura composta del protone Misura dei fattori di forma nell urto elastico elettrone-protone (Hofstadter et al., 1955)
L ipotesi dei quark (1964) Murray Gell-Mann ipotizza che i nucleoni siano costituiti da tre oggetti elementari, i quark Le predizioni del modello a quark hanno subito successo
La diffusione profondamente anelastica (DIS) e la scoperta dei quark-partoni (1968-72) Collisioni elettrone-protone ad alta energia a SLAC SLAC
La cromodinamica quantistica (QCD) L interazione tra i quark (l interazione forte) è descritta da una teoria quantistica di campo, la QCD, basata su una simmetria di gauge che mescola quark con tre diversi colori ( q, q, q ) Le teorie di gauge predicono l esistenza di bosoni di gauge di massa nulla, che mediano le forze (in QCD, otto gluoni) Le simmetrie di gauge determinano completamente le leggi delle forze. La QCD è (quasi) priva di parametri liberi.
Libertà asintotica della QCD A grandi energie, o piccole distanze, la QCD è una teoria libera t Hooft Wilczek Gross Politzer
Costante di accoppiamento forte
Evidenza dei gluoni: eventi a tre jet elettrone + positrone quark + antiquark + gluone
La struttura partonica del protone
Il DIS e il modello a partoni Momento trasferito Q 2 Variabile di Bjorken x (frazione del momento del protone trasportata dal partone) La sezione d urto contiene due funzioni di struttura F 1 e F 2
Copertura cinematica del DIS nel piano x-q²
Le funzioni di struttura contengono le distribuzioni di momento (longitudinale) dei partoni Le distribuzioni hanno un significato probabilistico La dipendenza delle distribuzioni da x è non perturbativa
Un esempio di estrazione delle pdf (VB, Pascaud, Zomer, 2000)
La dipendenza da Q 2 delle distribuzioni partoniche è predetta dalla QCD perturbativa: equazioni di DGLAP
Qualità dei dati di HERA F 2 x
QCD vs. dati Quattro ordini di grandezza in x e in Q 2
Dinamica delle distribuzioni partoniche in QCD Effetti non lineari Densità Risoluzione
Spin e momento trasverso dei quark
DIS su protoni polarizzati longitudinalmente La sezione d urto dipende da due funzioni di struttura, g 1 e g 2 Funzione di struttura g 1 (x,q 2 ) Incertezze maggiori rispetto al caso non polarizzato
g 1 è una combinazione delle distribuzioni di elicità dei quark e degli antiquark
Proton Spin Crisis Solo una piccola parte (circa un quarto) dello spin del protone è rappresentato dall elicità dei quark ½ = + ½ΔΣ ΔG + L Elicità dei quark ΔΣ= 0.25 Elicità dei gluoni ΔG molto incerta, ma piccola Grosso contributo del momento angolare orbitale L?
Diffusione profondamente anelastica seminclusiva (SIDIS) Sistema non rivelato frammentazione Adrone osservato Processo più difficile da studiare ma più ricco di informazioni Le distribuzioni partoniche si accoppiano a funzioni di frammentazione
La sezione d urto del SIDIS dipende da 18 funzioni di struttura Le funzioni di struttura extra rispetto al DIS rappresentano asimmetrie di spin o azimutali e coinvolgono distribuzioni di momento trasverso e di spin trasverso dei quark
Le tre distribuzioni ordinarie di momento e di spin q(x) numero Δq (x) elicità Δ T q (x) trasversità (introdotta nel 1979, riscoperta nel 1990; non osservabile nel DIS; nessuna evidenza fino al 2007)
Asimmetria di Collins SIDIS con protone polarizzato trasversalmente Prima evidenza sperimentale della trasversità
Distribuzione di trasversità estratta dall asimmetria di Collins (Anselmino et al.) trasversità elicità
Distribuzioni di momento trasverso q (x, k T ) Il momento trasverso del quark è correlato con lo spin trasverso del quark o del protone (Interazione spin-orbita)
Due distribuzioni speciali: Sivers e Boer-Mulders Sivers: quark non polarizzati in un protone polarizzato trasversalmente Boer-Mulders: quark polarizzati trasversalmente in un protone non polarizzato (spin senza spin!)
Asimmetria azimutale nel SIDIS non polarizzato Prima evidenza della distribuzione di Boer-Mulders (VB, Melis, Prokudin)
Il protone in 3D Momento trasverso Parametro di impatto q (x, b T )
Tomografia del protone Distorsione spaziale delle distribuzioni (calcolo su reticolo) Quark non polarizzati in protone polarizzato trasversalmente Quark polarizzati trasvers. in protone non polarizzato
Proprietà statiche del protone
Fattori di forma e raggio q.m. del protone Piccoli Q 2 : raggio q.m. Grandi Q 2 pqcd e modelli
Calcoli su reticolo Fattore di forma elettrico (massa pione: 875 580 450 MeV) Raggio isovettoriale (p-n)
L origine della massa del protone QCD: massa senza massa I costituenti elementari della materia hanno masse quasi nulle; quella che osserviamo come massa è l energia dei costituenti e del vuoto Il primo calcolo completo della massa dei nucleoni a partire dalla QCD Dürr et al., Science, 21 novembre 2008
Rappresentazione grafica del campo gluonico nel protone (risultato di un calcolo su reticolo, D. Leinweber)
Risultati del calcolo delle masse adroniche Nucleone 938 MeV/c²
Conclusioni
Negli ultimi due decenni la conoscenza della struttura del protone ha fatto enormi progressi Le distribuzioni non polarizzate sono note con grande precisione e l analisi di QCD perturbativa è stata spinta fino al terzo ordine. Siamo pronti per LHC. Sono stati scoperti nuovi aspetti della struttura del protone, legati al momento e allo spin trasversi I calcoli di reticolo sono diventati molto più sofisticati e realistici e hanno prodotto importanti risultati Rimangono molti problemi aperti: stranezza e charm, spin dei gluoni, momento angolare orbitale, effetti nucleari, saturazione,
Prospettive sperimentali Electron-Ion Collider Neutrino factory and muon collider
Frontiera dell energia Unificazione delle forze, nuova fisica Frontiera dell intensità Fisica dei neutrini, fisica dei sapori,... Frontiera cosmica Raggi cosmici, energia oscura, onde gravitazionali, Dalla scoperta di effetti alla fisica di precisione
Diapositive extra
SPS (1976, 1981): Circonferenza 7 Km, Energia 300 + 300 GeV LHC! SPS! LHC (2008): Circonferenza 27 Km, Energia 7 + 7 TeV
I numeri di LHC 7 TeV Energia dei protoni 0.999 999 991 c Velocità dei protoni 3000 pacchetti 100 miliardi di protoni per pacchetto 7.5 m (25 ns) 7 TeV Protone 7 TeV Protone 4 interazioni tra pacchetti ogni 10-7 secondi 1 interazione protone-protone ogni 10-9 secondi Collisione tra quark o gluoni (costituenti del protone) 1 particella prodotta ogni 10-5 secondi
Scale crescenti di unificazione delle forze Unificazione elettrodebole: Grande unificazione (elettrodeb. + forte) Scala di Planck ( gravità quantist.) GeV GeV GeV
Le quattro interazioni fondamentali Interazione Intensità Mediatori Raggio FORTE ª Gluoni ELETTROMAGNETICA* Fotone DEBOLE* Bosoni W e Z GRAVITAZIONALE¹ Gravitone *Unificate dalla teoria di Glashow, Weinberg, Salam ªDescritta dalla quantocromodinamica. EW + QCD = Modello Standard ¹Descritta dalla relatività generale, che non è una teoria quantistica
Il Big Bang e l espansione dell universo Espandendosi a partire dalla singolarità iniziale, l universo si è via via raffreddato (la temperatura attuale del fondo cosmico è 2.7 K) Salendo in energia e quindi in temperatura ripercorriamo all indietro la storia dell universo 1 TeV corrisponde a T = K, la temperat. dell universo dopo sec
Il modello standard delle particelle e delle forze