LA STRUTTURA DEL PROTONE

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
JLAB
Tevatron
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
p
pione
pbar
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 Q2
Variabile di Bjorken x
(frazione del momento del protone
trasportata dal partone)
La sezione d’urto contiene due funzioni di struttura F1 e F2
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 Q2 delle distribuzioni partoniche è
predetta dalla QCD perturbativa: equazioni di DGLAP
Qualità dei dati di HERA
F2
x
QCD vs. dati
Quattro ordini di
grandezza in x e
in Q2
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, g1 e g2
Funzione di
struttura
g1(x,Q2)
Incertezze maggiori
rispetto al caso non
polarizzato
g1 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)
Δq (x)
ΔT q (x)
numero
elicità
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, kT)
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, bT)
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 Q2: raggio q.m.
Grandi Q2
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
FORTE ª
Gluoni
ELETTROMAGNETICA*
Fotone
DEBOLE*
Bosoni W e Z
GRAVITAZIONALE¹
Gravitone
Raggio
∞
∞
*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