Protonii sunt prezenți în orice atom. Particule compuse din cuarci care se țin împreună prin interacțiuni nucleare puternice, protonii ar putea deveni transparenți la culoare (adică la interacțiunea puternică) dacă sunt puși sub presiune. Un experiment care a încercat să realizeze această situație la acceleratorul de la CEBAF în SUA nu a reușit însă să observe protoni transparenți; protonii sunt încă misterioși.  

Din ce sunt făcuți protonii?

În cadrul Modelului Standard al fizicii particulelor elementare protonii sunt alcătuiți din cuarci – în mod specific din doi cuarci „up” și un quark „down”. Acești cuarci se țin împreună prin așa-numita interacțiune nucleară puternică, descrisă de teoria cromodinamicii cuantice (QCD). Teoria QCD ne spune că purtătorii interacțiunii tari sunt așa-numiții gluoni – un fel de echivalent al fotonilor pentru interacțiunea electromagnetică. Spre deosebire de fotoni care nu au sarcină electrică, cea care generează interacțiunea electromagnetică, gluonii au sarcină de „culoare” – cea care generează interacțiunea puternică. Evident, cuvântul „culoare” nu are de-a face efectiv cu culorile, ci reprezintă proprietăți interne ale particulelor, precum cuarcii și gluonii. Faptul că gluonii au sarcină de culoare dă teoriei QCD caracteristici cu totul deosebite față de electromagnetism. Astfel, cuarcii sunt cu atât mai liberi cu cât sunt mai apropiați și interacționează cu atât mai puternic cu cât sunt unul mai departe de celălalt – această proprietate se numește libertate asimptotică și nu este încă pe deplin înțeleasă din punct de vedere teoretic.

Protonii sub presiune: transparenți la culoare

Protonii interacționează puternic cu alte particule, precum alți protoni sau cu neutronii; tocmai așa ia naștere de exemplu nucleul unui atom. Interacțiunea această este un reziduu al interacțiunii între cuarcii din interiorul protonului. Parte din această interacțiune între cuarci „iese” din proton și dă naștere interacțiunii dintre protoni și alte particule. Dacă însă s-ar reuși micșorarea protonului, adică dacă l-am pune sub presiune, atunci cuarcii s-ar apropia unul de celălalt și toate liniile de forță ar fi între ei – nu ar mai ieși nimic din proton. Protonii nu ar mai avea capacitatea să interacționeze cu alte particule devenind în acest fel transparenți la culoare (culoarea QCD).

Acest lucru este bine cunoscut din punct de vedere teoretic și procedura pentru a genera protoni transparenți este de a-i supune unor coliziuni la energii foarte mari – care ar genera această „presiune” ce i-ar face transparenți.

În SUA un experiment caută acești protoni

În acest context un experiment în așa-numitul Hall C la CEBAF, un laborator în Statele Unite, caută să genereze acești protoni în urma ciocnirii între electroni de energie mare și nuclee de carbon. Protonii care ar reusi să iasă nevătămați din aceste interacțiuni ar trebui să fie cei în care cuarcii sunt legați mult mai puternic și rămân împreună – generând astfel un proton transparent la culoare. Totuși, nu au fost găsite urme ale acestor protoni în cadrul experimentului, rezultatele căruia au fost recent publicate într-un articol în revista Phys. Rev. Letters.

Interacțiunea puternică mai are încă secrete

La oră actuală cercetătorii pun la punct o strategie în care să caute transparența la culoare pentru particule mai simple decât protonii – cum ar fi pionii, particule alcătuite dintr-un cuarc și un anticuarc. Transparența la culoare trebuie să existe și în cazul protonilor, totuși energia la care s-ar manifesta acest fenomen nu este bine cunoscută. Ar putea să fie o energie mai mare decât cea care este posibil de realizat la CEBAF la ora actuală. Protonii și interacțiunea nucleară puternică continuă să ascundă însă multe mistere care necesită studii ulterioare atât din punct de vedere teoretic, cât și experimental.

Înțelegerea protonilor este fundamentală pentru înțelegerea materiei din care suntem făcuți inclusiv noi – mare parte a masei noastre este constituită din protonii și neutronii nucleelor atomice ale elementelor chimice din care suntem făcuți.

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe