Cosa tiene insieme i mattoni dell’universo? È una domanda semplice solo in apparenza. Gli atomi, pur invisibili a occhio nudo, sono strutture complesse formate da un nucleo — composto da protoni e neutroni — e da elettroni che gli ruotano intorno. Ma i protoni, carichi positivamente, dovrebbero respingersi tra loro. Eppure restano uniti nel nucleo. Come mai?
La risposta è affascinante e si chiama forza forte, la più potente tra le quattro forze fondamentali della natura. A trasmetterla sono i gluoni, particelle che fungono da “colla” invisibile tra i quark — i costituenti fondamentali di protoni e neutroni — e, indirettamente, tra i protoni e i neutroni stessi. Ma i gluoni non si fanno osservare facilmente: non hanno carica elettrica e agiscono solo a distanze piccolissime, rendendoli tra i più sfuggenti protagonisti dell’universo subatomico.
L’effetto EMC e un mistero ancora aperto
Già da decenni, i fisici sanno che il comportamento dei quark cambia quando si trovano in un nucleo rispetto a quando sono isolati. Questo fenomeno, scoperto negli anni ’80 e chiamato effetto EMC, suggerisce che le proprietà fondamentali della materia variano in base al contesto nucleare. Tuttavia, resta ancora oggi poco compreso.
Ancora più misterioso è se esista un effetto simile per i gluoni. Studiarli è molto più complesso: mentre i quark interagiscono anche con la forza elettromagnetica (e quindi sono più accessibili), i gluoni vivono esclusivamente nel regno della forza forte.
Un esperimento pionieristico: indagare la “colla” con la particella J/ψ
Un passo avanti decisivo è arrivato da un nuovo esperimento realizzato al Jefferson Lab negli Stati Uniti. I ricercatori, invece di osservare direttamente i gluoni, hanno utilizzato come “spia” una particella chiamata J/ψ, formata da un quark charm e dal suo antiquark. La produzione di J/ψ in laboratorio richiede l’interazione di un fotone con un gluone: è dunque un indicatore sensibile della presenza e del comportamento dei gluoni.
Normalmente, per produrre questa particella in un protone isolato, è necessaria una radiazione molto energetica (oltre 8,2 GeV). Tuttavia, il team del Jefferson Lab ha ideato un esperimento innovativo: usando nuclei più pesanti — come deuterio, elio e carbonio — e sfruttando il moto interno dei protoni e neutroni, sono riusciti a ottenere la J/ψ con fotoni al di sotto della soglia energetica convenzionale.
È un risultato senza precedenti: per la prima volta è stata ottenuta la produzione di J/ψ sotto soglia, fornendo un’immagine indiretta ma straordinaria della “colla” gluonica all’interno del nucleo.
Cosa è emerso: la colla si comporta in modo inaspettato
I dati ottenuti hanno mostrato un’anomalia intrigante: si è prodotta più J/ψ del previsto, rispetto ai modelli teorici basati su protoni isolati. Questo suggerisce che i gluoni si comportano in modo diverso quando un nucleone fa parte di un nucleo. È un primo indizio che la “colla nucleare” cambia natura a seconda del contesto in cui si trova.
Per analizzare questi risultati, i fisici hanno utilizzato sofisticate tecniche basate sulla dinamica del fronte luce, un approccio teorico che consente di trattare le particelle relativistiche in modo più accurato.
Anche se serviranno ulteriori dati e sperimentazioni per comprendere pienamente il fenomeno, questa prima misura rappresenta un balzo in avanti nella fisica nucleare moderna.
Verso nuovi orizzonti: l’Electron-Ion Collider
Questo esperimento non è solo un traguardo: è anche un trampolino di lancio per il futuro. I risultati ottenuti aiuteranno a orientare le ricerche che saranno condotte al futuro Electron-Ion Collider (EIC), il grande acceleratore in costruzione negli Stati Uniti, progettato proprio per esplorare il mondo dei gluoni e della forza forte con una precisione mai raggiunta prima.
Capire la “colla nucleare” non è un esercizio astratto: significa comprendere come la materia rimane unita, come si formano gli elementi, come si è costruito l’universo dopo il Big Bang.
Un primo sguardo in un regno invisibile
Il cuore degli atomi nasconde ancora segreti profondissimi. Questo esperimento ci offre il primo sguardo in un territorio nuovo e inesplorato: il comportamento dei gluoni all’interno dei nuclei. È un’eco delle prime mappe tracciate dai navigatori, uno schizzo imperfetto ma prezioso di una terra ancora da esplorare. E proprio come allora, ogni nuova scoperta porta con sé nuove domande, ma anche nuove possibilità.
Se davvero vogliamo capire di cosa è fatta la realtà, è lì, nel cuore vibrante e invisibile degli atomi, che dobbiamo guardare.
Stefano Camilloni
