Kaone, una “stranezza” che mantiene legata la materia nucleare

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Osservata una nuova forma di “materia strana” presente nel cuore delle stelle di neutroni. Arriva dal Giappone, dalla collaborazione internazionale J-Parc E15, l’annuncio della prima dimostrazione sperimentale dell’esistenza di un nucleo esotico contenente due protoni e un kaone legato. Media Inaf ha intervistato una delle autrici della scoperta, Catalina Curceanu, dell’Infn.

 

Un nucleo atomico così strano non s’era visto mai. Strano in tutti i sensi: mettendo in scena un kaone al posto d’un normale neutrone – e già questo è parecchio anomalo – è un nucleo tutto all’insegna della “stranezza” – qui intesa come proprietà quantistica. Il nucleo del quale stiamo parlando è quello di un atomo di elio-3, un raro isotopo (raro qui sulla Terra) del secondo elemento più abbondante nell’universo, ed è stato creato in laboratorio nel corso di un esperimento condotto all’acceleratore giapponese J-Parc.

Catalina Curceanu, ricercatrice all’Istituto nazionale di fisica nucleare e coautrice dello studio pubblicato su Physics Letters B
Catalina Curceanu, ricercatrice all’Istituto nazionale di fisica nucleare e coautrice dello studio pubblicato su Physics Letters B

Nome in codice “E15”, si tratta di un esperimento tanto affascinante per le sue potenziali ricadute – potrà aiutare a ricostruire la ricetta segreta delle stelle di neutroni, per dirne una – quanto complesso da comprendere. Media Inaf ha dunque intervistato una delle scienziate che lo hanno messo a punto e condotto, Catalina Curceanu, dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn).

Nata e cresciuta in Transilvania, vicino al castello di Dracula, dopo la laurea in fisica conseguita all’università di Bucarest Curceanu ha vinto una borsa di studio ai Laboratori nazionali di Frascati dell’Infn. Doveva restarci tre mesi, e invece sono ormai passati vent’anni. Oggi Curceanu è a capo di un gruppo di circa venti ricercatori che lavorano nel capo della fisica nucleare e quantistica in laboratori sparsi fra Italia e Giappone, con collaborazioni in tutto il mondo, dall’Europa all’Australia, dalla Cina negli Stati Uniti. Due le sue specialità. Una è la meccanica quantistica – e in particolare le possibili violazioni della meccanica quantistica “standard”, che Curceanu studia nei laboratori sotterranei del Gran Sasso con l’esperimento Vip. L’altra è, appunto, la fisica “strana” e le sue interazioni con quella “normale”, messe alla prova con acceleratori come quello giapponese o, qui in Italia, con l’acceleratore Dafne a Frascati, che presto ospiterà l’esperimento Siddharta-2, dedicato proprio a indagare questi fenomeni che più strani non si potrebbe.

Strani come i vostri kaoni, “mesoni caratterizzati dal numero quantico della stranezza”, dice Wikipedia. Che particelle sono?

«Il kaone è una particella composta da un quark e un antiquark – nel caso dei  kaoni con carica elettrica negativa, da un quark del tipo “strano” e un antiquark del tipo “anti-up”. Il quark “strano” è molto particolare: fa parte della cosiddetta “seconda famiglia” del Modello Standard della fisica delle particelle, e non lo troviamo nel mondo che ci circonda – che è fatto di quark di tipo “u” e “d” della prima famiglia – ma soltanto negli acceleratori di particelle. Oppure, come risultato delle interazioni dei raggi cosmici e, forse, nelle stelle di neutroni. Il kaone è un bosone – cioè una particella con lo spin uguale a zero, ed è una particella che vive pochissimo – appena circa 12 miliardesimi di secondo, dopo di che decade in altre particelle».

Veniamo al “vostro” kaone: dicevamo che è apparso nel nucleo di atomi di elio-3. Com’è accaduto?

«Nel nostro esperimento E15 a J-Parc, in Giappone, abbiamo “sparato” un fascio di kaoni di alta energia su un bersaglio di elio-3. Parte dei kaoni hanno interagito con i nuclei dell’elio-3 – formati da due protoni e un neutrone – e sono rimasti “attaccati” ai due protoni, buttando fuori il neutrone e formando, dunque, uno stato legato con un kaone e due protoni. Attraverso i prodotti del decadimento di questo stato legato, abbiamo potuto vedere alcune centinaia di eventi, e misurare l’energia di legame e la larghezza dello stato legato».

Schema dell’esperimento. Crediti: Riken
Schema dell’esperimento. Crediti: Riken

Perché avete scelto un isotopo così raro come elio-3?

«Certamente non è un caso: abbiamo scelto l’elio-3 proprio perché volevamo studiare l’eventuale esistenza di uno stato legato di un kaone con carica negative e due protoni, e l’elio-3 è il miglior bersaglio che si possa avere, in quanto in seguito alla formazione dello stato legato viene “lanciato fuori” un neutrone con un energia ben definita (corrispondente all’energia di legame dello stato legato)».

Qual è stato l’ostacolo più difficile da superare, nel vostro esperimento?

«È stato individuare lo stato legato in mezzo a tanti altri eventi di “fondo”, che si sovrappongono a quanto stavamo cercando: un po’ come cercare una persona particolare in una piazza piena di gente. Oltre allo stato legato, ci sono tantissimi altri processi che sono molto simili – almeno in apparenza – a quello che stavamo cercando. Riuscire a estrarre gli eventi che corrispondono allo stato legato del kaone con i due protoni ha richiesto un lavoro da certosino».

Qual è la novità del vostro risultato? Siete stati i primi a dimostrare cosa?

«In un nucleo normale una particella – un nucleone, cioè un protone oppure un neutrone – ha un’energia di legame di alcuni MeV per nucleone. Nel nostro caso l’energia di legame è di circa 50 MeV, dunque di circa 25 MeV/adrone: molto più grande dell’energia di legame nucleare. Questo vuol dire che il kaone agisce come una colla molto potente, che può legare con grande forza la materia nucleare con stranezza. Ci sono delle colle nucleari molto forti, e il kaone – materiale con stranezza, cioè contenente quark strani – può essere una tale colla nucleare che lega la materia nucleare».

Ora che avete riprodotto in laboratorio il processo di formazione di questa “colla nucleare”, quali ricadute potrebbe avere, la vostra scoperta?

«Un tale processo potrebbe essere rilevante nelle meravigliose stelle di neutroni, delle quali non conosciamo ancora la struttura interna. Le stelle di neutroni potrebbero avere un “cuore strano”, e noi lo possiamo studiare in laboratorio! Non è meraviglioso? Studiare in laboratorio le stelle di neutroni – che hanno una densità enorme: in una di esse tutti noi, 7 miliardi di abitanti della Terra, saremmo contenuti in un ditale! – è affascinante e noi abbiamo dimostrato, anche se la strada è ancora lunga, che è possibile».

Per saperne di più: Leggi su Physics Letters B l’articolo “Kpp’, a K ̅-Meson Nuclear Bound State, Observed in 3He(K, Λp)nReactions”, della J-PARC E15 collaboration

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