STAR sfida i modelli del protone

Quando due nuclei atomici si scontrano con energia sufficiente, i quark all’interno dei protoni entrano in collisione. Il numero barionico, la proprietà che identifica una particella come protone o neutrone, non può scomparire: deve pur finire da qualche parte. In due prove pubblicate su Science il 13 agosto 2026, la collaborazione STAR, attiva in un collider statunitense, ha rilevato che non si sposta nel modo previsto dai modelli che lo legano ai quark in arrivo (Science). Il 6 ottobre Nature ha definito il lavoro la più solida prova sperimentale finora raccolta che il numero barionico possa viaggiare insieme a una struttura del campo gluonico (Nature).

Un bilancio che torna sempre

Si può pensare al numero barionico come a un registro che deve tornare dopo ogni operazione, per quanto violenta: un protone o un neutrone vale +1, un antiprotone −1 e ciascun quark un terzo, così che i tre quark fondamentali di un protone sommino esattamente a uno (Science). Con conti così lineari, i quark sembrano i candidati più ovvi a portare quel contrassegno.

I gluoni, le particelle che trasmettono la forza forte, tengono insieme i quark, un po’ come corde elastiche potrebbero legare tre biglie. Il campo gluonico che collega i tre quark di un protone si può immaginare come tre filamenti che si incontrano in un unico punto, disegnando una Y (Brookhaven).

Secondo alcuni teorici, il numero barionico appartiene a quel punto d’incontro, chiamato giunzione, e non ai quark alle estremità dei filamenti. Se hanno ragione, in una collisione il contrassegno potrebbe prendere una direzione diversa da quella dei quark originari.

Usare la carica come tracciante

Distinguere le due ipotesi è difficile, perché i bracci della giunzione terminano sempre sui quark. STAR, una grande collaborazione a cui partecipano anche diverse università europee (PubMed), ha usato la carica elettrica come indicatore: i quark la possiedono, i gluoni no.

Il gruppo ha confrontato le collisioni fra due nuclei quasi gemelli. Rutenio-96 e zirconio-96 contengono entrambi 96 nucleoni, cioè protoni e neutroni, ma il rutenio ha 44 protoni contro i 40 dello zirconio. Nel 2018 STAR ha registrato circa due miliardi di collisioni per ciascun tipo di nucleo (STAR). Il numero barionico iniziale è identico, mentre cambia soltanto la carica: dovrebbe quindi emergere un’eventuale differenza fra la distribuzione finale dei barioni e quella della carica.

STAR ha misurato due scarti fra i tipi di collisione: la variazione del numero barionico che raggiunge il centro e quella della carica che vi arriva. Ha poi normalizzato il confronto in modo che, se il numero barionico si spostasse soltanto insieme ai quark iniziali, il risultato fosse esattamente 1. Nelle collisioni più frontali ha misurato 1,84 (STAR paper). L’incertezza maggiore deriva dai neutroni, che il rivelatore non può vedere e che il gruppo ha quindi dovuto stimare. Anche tenendo conto di questo limite, al centro è arrivato molto più numero barionico di quanto la carica possa spiegare.

Una seconda collisione indica la stessa direzione

La seconda prova ha impiegato nuclei d’oro e collisioni meno violente. STAR ha selezionato gli eventi in cui una particella di luce proveniente da un nucleo colpiva l’altro, quindi ha misurato come si distribuisse lungo la linea del fascio l’eccesso di protoni sugli antiprotoni. Le simulazioni standard degli eventi prevedevano un andamento più ripido e spostato più avanti nella direzione di marcia. La distribuzione osservata rientrava invece nell’intervallo atteso se il numero barionico viaggia con le giunzioni (STAR paper). Quel campione permetteva di confrontare con la teoria soltanto la forma della distribuzione, non il numero assoluto di protoni.

Altri fisici invitano alla cautela. Chun Shen ha detto a Science News che i risultati favoriscono l’ipotesi delle giunzioni, ma non sono ancora una «smoking gun»; Zi-Wei Lin ha osservato che la giunzione è essa stessa un legame che coinvolge i quark, perciò parlare di «gluoni invece dei quark» semplifica troppo (Science News).

Una verifica più netta potrebbe arrivare dall’Electron–Ion Collider, la cui costruzione è in programma. Una proposta sottoposta a revisione tra pari nel 2024 ha delineato un confronto fra il percorso del numero barionico e quello della carica, usando bersagli di rutenio e zirconio (EPJ C).

La giunzione viene dedotta dai detriti della collisione e nessuno l’ha osservata direttamente. STAR ha però rilevato che entrambe le prove si discostano dai modelli in cui il numero barionico viaggia soltanto con i quark iniziali. Qualunque spiegazione di come un protone mantenga la propria identità durante una collisione dovrà ora fare i conti con questo risultato.