LA FISICA DI ZEUS

Il nucleo di un atomo è formato da un certo numero di neutroni e protoni. Neutroni e protoni sono costituiti a loro volta da tre quark ciascuno (in particolare il protone è costituito da due quark di tipo up e un quark di tipo down). L'acceleratore HERA 'spara' un elettrone ed un protone a grande energia uno contro l'altro, processo nel quale il protone si rompe. Dall'analisi dei frammenti, il rivelatore ZEUS risale alla struttura del protone. Tutta la materia è costituita da 12 componenti elementari, 6 leptoni, tra cui l'elettrone appunto e 6 quark, tra cui i quark up and down. Queste interagiscono tra di loro con 3 tipi di forze: la forza gravitazionale, la forza elettrodebole e l'interazione forte. Quest'ultima è la forza responsabile per le interazioni tra quark all'interno del protone. I tre quark nel protone non sono mai stati osservati 'liberi' e vengono tenuti confinati all'interno del protone grazie appunto a questa interazione forte.

La struttura del protone

Per raffigurare l'interazione forte tra quark i fisici parlano di scambio di 'campi', in questo caso scambio di particelle chiamate gluoni, nome che viene dall'Inglese 'glue' (colla) e che vengono rappresentati graficamente come molle che tengono legati i

quark che interagiscono. Il nostro protone quindi non è fatto solo di 3 quark, ma anche da un certo numero di gluoni che tengono insieme questi quark. Quanti gluoni ci sono? Man mano che si guarda all'interno del protone, a distanze sempre più piccole, si vede un numero sempre più grande di gluoni a bassa energia. Il nostro protone, oltre ai tre quark di valenza , come si chiamano in gergo, è pieno di gluoni a bassa energia, i quali, sempre per un processo di interazione forte, possono a loro volta dare luogo a coppie di quark-antiquark (la sua antiparticella) a bassa energia.

I gluoni

In maniera quantitativa, questo viene misurato con la funzione di struttura del protone F2 che cresce molto a piccoli x, cioè ad energie fino a 0.00001 volte quella iniziale del protone. L'acceleratore HERA, grazie all'alta energia dei suoi fasci,

ha permesso questa misura con alta precisione, che è unica al mondo. Le cosiddette densità partoniche, cioè quanti quark di tipo u, d o quanti gluoni e coppie di quark-antiquark sono presenti nel protone, sono state misurate da ZEUS con alta precisione. Oltre ad essere interessante dal punto di vista teorico per capire le interazioni forti, la misura delle densità partoniche è importante per predire i processi che avverranno al Large Hadron Collider, la prossima macchina acceleratrice per scoperte in alta energia. L'esperimento ZEUS ad HERA ha fatto molte altre misure, non solo sulle interazioni forti. Per esempio le due interazioni elettromagnetica e debole sono state misurate alla scala di energia dove ci si aspetta una riunificazione. Nella seconda metà dell'Ottocento si è scoperto che le interazioni magnetiche e elettriche sono manifestazioni della stessa forza,

La funzione F2

Densità partoniche

la forza elettromagnetica, scoperta che ha portato alla tecnologia nella vita di tutti i giorni.

Oggi si sa che anche questa forza è unificata con la forza debole, responsabile per esempio dei decadimenti radioattivi dei nuclei. Questo fu confermato per la prima volta con la scoperta delle particelle W e Z al CERN di Ginevra dal premio Nobel Carlo Rubbia. La figura accanto fa vedere come la forza debole (di corrente carica CC) e quella elettromagnetica (di corrente neutra NC) hanno la stessa grandezza quando la scala di energia trasferita nella reazione è dell'ordine della massa della Z o della W al quadrato, esattamente come previsto dalla teoria. Questa è quindi un'altra misura inportante dell'esperimento ZEUS.

Forza debole e forza elettromagnetica

Infine, essendo HERA come un grande microscopio che va a vedere all'interno del protone, si può provare a vedere all'interno del quark. Il quark è puntiforme o ha una struttura?

Dai risultati di HERA, si trova che il quark è puntiforme o, meglio, se ha un raggio, questo raggio deve essere minore di 0.62X10^-16 cm, cioè più piccolo di un millesimo del raggio del protone stesso. I fisici italiani di ZEUS hanno contribuito in modo fondamentale alla ricerca dell'interno del protone e si sono posti anche domande più complicate. Quanti quark charm e beauty vengono creati all'interno del protone? E cosa sono gli eventi con large rapidity gap, cioè senza proton remnant? Per fare questo hanno anche costruito pezzi del rivelatore, che misurano muoni (BRMUON, FMUON), vertici di interazione con grande precisione (MVD) e protoni veloci lungo la linea del fascio (LPS).

Il raggio del quark