Quando il fisico statunitense Robert Hofstadter, vincitore del premio Nobel, e il suo team hanno sparato elettroni altamente energetici su una piccola fiala di idrogeno allo Stanford Linear Accelerator Center nel 1956, hanno aperto la porta a una nuova era della fisica. Fino ad allora, si pensava che protoni e neutroni, che costituiscono il nucleo di un atomo, fossero le particelle più fondamentali in natura. Erano considerati infatti “punti” nello spazio, privi di dimensioni fisiche. Improvvisamente invece divenne chiaro che queste particelle non erano affatto fondamentali e avevano anche una dimensione e una struttura interna complessa.

Eppure c’è molto che ancora non sappiamo sul nucleo atomico – così come sulla “forza forte”, una delle quattro forze fondamentali della natura, che lo tiene insieme. Ora un acceleratore nuovo di zecca, l’Electron-Ion Collider che sarà costruito entro il decennio presso il Brookhaven National Laboratory di Long Island, negli Stati Uniti, con l’aiuto di 1.300 scienziati provenienti da tutto il mondo, potrebbe aiutare a portare la nostra comprensione del nucleo a un nuovo livello.

Dopo le rivelazioni del 1950, divenne presto chiaro che le particelle chiamate quark e gluoni sono gli elementi costitutivi fondamentali della materia. Sono i costituenti degli adroni, che è il nome collettivo per protoni e altre particelle. Una teoria chiamata cromodinamica quantistica descrive come funziona la forza forte tra i quark, mediata dai gluoni, che sono portatori di forza. Eppure non può aiutarci a calcolare analiticamente le proprietà del protone.

Ecco perché lo studio sperimentale del protone e di altri adroni è così cruciale: per capire il protone e la forza che lo lega, bisogna studiarlo da ogni angolazione. Per questo, l’acceleratore è il nostro strumento più potente. Per rispondere a tali domande, infatti, abbiamo bisogno di un microscopio in grado di immaginare la struttura del protone e del nucleo attraverso la più ampia gamma di ingrandimenti con dettagli elevatissimi e costruire immagini 3D della loro struttura e dinamica. Questo è esattamente ciò che farà il nuovo collisore.