Se salissi a bordo dello Scuolabus Magico e iniziassi a ridurlo - più piccolo di una formica o un'ameba o una singola cellula, e poi continuassi a ridursi fino a quando i singoli atomi fossero grandi come interi mondi e anche le loro particelle costituenti torreggiassero su di te - avresti entrare in un mondo gorgogliante con pressioni enormi e contrastanti.
Al centro di un protone, una pressione maggiore di quella trovata all'interno di una stella di neutroni ti spingerebbe verso il bordo della particella. Ma ai limiti esterni del protone, una forza uguale e contraria ti spingerebbe verso il centro del protone. Lungo la strada, verrai colpito da forze di taglio che si muovono lateralmente che superano di gran lunga qualsiasi cosa qualsiasi persona possa mai sperimentare nella loro vita.
Un nuovo articolo, pubblicato il 22 febbraio sulla rivista Physical Review Letters, offre la descrizione più completa delle pressioni concorrenti all'interno di un protone, non solo in termini di quark - le particelle che danno a un protone la sua massa - ma i suoi gluoni, le particelle senza massa che legano insieme quei quark.
Questo stato quantico ribollente e bollente
Semplici descrizioni di protoni coinvolgono solo tre quark tenuti insieme da un gruppo di gluoni. Ma quelle descrizioni sono incomplete, ha affermato la coautrice dello studio Phiala Shanahan, fisica del Massachusetts Institute of Technology (MIT).
"Il protone è composto da un gruppo di gluoni e in realtà da un mucchio di quark", ha detto Shanahan a Live Science. "Non solo tre. Ci sono tre quark principali, e quindi un numero qualsiasi di coppie quark-antiquark che appaiono e scompaiono ... ed è tutte le interazioni complicate di questo stato quantico gorgogliante e bollente che genera la pressione."
Shanahan e il co-autore William Detmold, che è anche un fisico del MIT, hanno scoperto che i gluoni producono circa il doppio della pressione dei quark all'interno di un protone e che questa pressione è distribuita su un'area più ampia di quanto precedentemente noto. Hanno scoperto che la pressione totale di un protone raggiunge un picco di 100 decillioni (o 1 con 35 zeri dopo) pascal - o circa 260 sextillion (o 26 con 22 zeri dopo) volte la pressione al centro della Terra.
Criticamente, quella pressione punta in due direzioni diverse.
"C'è una regione di pressione positiva, quindi deve esserci anche una regione di pressione negativa", ha detto. "Se ci fosse solo una regione di pressione positiva il protone continuerebbe ad espandersi e non sarebbe stabile".
Un calcolo molto grande
Ma per quanto enormi siano quelle pressioni, gli scienziati non hanno modo di misurarle direttamente nella maggior parte dei casi. Per sondare gli interni dei protoni, gli scienziati li bombardano con elettroni ancora più piccoli a energie molto elevate. Nel processo, cambiano i protoni. Nessun esperimento noto può rivelare com'è all'interno di un protone alle basse energie che normalmente sperimentano.
Quindi gli scienziati fanno affidamento sulla teoria della cromodinamica quantistica (QCD), che descrive i quark e i forti gluoni portatori di forza che li legano insieme. Gli scienziati sanno che il QCD funziona perché esperimenti ad alta energia confermano le sue previsioni, ha detto Detmold. Ma a basse energie, devono fidarsi della matematica e dei calcoli.
"Sfortunatamente è molto difficile studiare analiticamente, scrivere equazioni con carta e penna", ha detto Shanahan.
Invece, i ricercatori si rivolgono a supercomputer che collegano in rete migliaia di core del processore per risolvere equazioni complicate.
Anche con due supercomputer che lavorano insieme, i calcoli sono durati circa un anno, ha detto.
Shanahan e Detmold hanno rotto il protone nelle sue diverse dimensioni (tre per lo spazio e uno per il tempo) per semplificare il problema che i supercomputer hanno dovuto risolvere.
Invece di un singolo numero, la mappa della pressione risultante sembrerebbe un campo di frecce, tutte di dimensioni diverse e che puntano in direzioni diverse.
Quindi la risposta alla domanda "Qual è la pressione all'interno di un protone?" dipende molto da quale parte del protone stai chiedendo.
Dipende anche dal raggio del protone. Se i protoni sono sacche di gluoni e quark, quelle sacche crescono e si restringono a seconda delle altre particelle che agiscono su di esse. Quindi i risultati di Shanahan e Detmold non si riducono a un solo numero.
Ma ora le nostre mappe degli estremi di tutti questi piccoli mondi in ebollizione dentro di noi sono molto più vivaci.
