Studiate interazioni a distanze ultra corte tra protoni e neutroni

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Scoperta pubblicata su Neture, nelle stelle di neutroni la forza forte è estremanente alta Alcuni ricercatori del Mit, analizzando milioni di miliardi di elettroni scagliati contro nuclei atomici usando l’accelatore Clas del Jlab, hanno trovato le prove di un curioso fenomeno: quando la densità delle particelle nucleari è estremamente alta, la forza nucleare forte diventa una forza repulsiva tra i neutroni che, al centro di una stella di neutroni, potrebbe prevenire il collasso della stella stessa. Pertanto, in base alle loro osservazioni, non sembra più necessario chiamare in causa quark e gluoni, e i nuclei delle stelle di neutroni potrebbero essere molto più semplici di quanto si ritenga

La materia comune, di cui siamo fatti, è tenuta insieme da una colla subatomica invisibile nota come forza nucleare forte – una delle quattro forze fondamentali presenti in natura, insieme alla gravità, all’elettromagnetismo e alla forza debole. La forza nucleare forte tiene uniti i protoni e i neutroni nei nuclei atomici, e impedisce che l’atomo collassi su se stesso.

Nei nuclei atomici, la maggior parte dei protoni e dei neutroni sono abbastanza distanti da consentire ai fisici di prevedere con precisione le loro interazioni. Tuttavia, queste previsioni sono messe in discussione quando le particelle subatomiche sono così vicine da essere praticamente una sopra l’altra.

Simulazione di una stella di neutroni. Crediti: Wikimedia Common
Simulazione di una stella di neutroni. Crediti: Wikimedia Common

Se nella maggior parte della materia presente sulla Terra tali interazioni a distanza ultra-corta sono rare, non è così per i nuclei delle stelle di neutroni e di altri oggetti astrofisici estremamente densi. Da quando gli scienziati hanno iniziato a esplorare la fisica nucleare, hanno faticato a capire come agisce la forza nucleare forte su una distanza così corta. Ora, per la prima volta, i fisici del Massachusetts Institute of Technology (Mit) sono riusciti a caratterizzare la forza nucleare forte e le interazioni tra protoni e neutroni su distanze estremamente brevi. Per farlo, hanno analizzato i dati di precedenti esperimenti condotti con un acceleratore di particelle, scoprendo che quando la distanza tra protoni e neutroni si riduce, si verifica una sorprendente transizione nelle interazioni tra loro. Dove, a grandi distanze, la forza nucleare forte agisce principalmente per attirare un protone verso un neutrone, a distanze molto brevi tale forza sembra comportarsi diversamente: le interazioni avvengono non solo per attirare un protone verso un neutrone, ma anche per respingere o allontanare coppie di neutroni.

«Si tratta del primo esame dettagliato di ciò che accade alla forza nucleare forte a distanze molto brevi», afferma Or Hen, del Mit. «Questo ha enormi implicazioni, principalmente per le stelle di neutroni, nonché per la comprensione dei sistemi nucleari nel loro insieme». Hen e i suoi colleghi hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Nature.

Le interazioni a distanze ultra corte tra protoni e neutroni sono rare nella maggior parte dei nuclei atomici. Una loro rilevazione richiede che gli atomi vengano colpiti con un numero enorme di elettroni ad altissima energia, una frazione dei quali potrebbe avere la possibilità di espellere una coppia di nucleoni (protoni o neutroni) che si muovono con un momento elevato – indice che le particelle devono interagire a distanze estremamente brevi. «Per fare questi esperimenti, sono necessari acceleratori di particelle con correnti estremamente alte», afferma Hen. «È solo da poco tempo che abbiamo la capacità di avere rivelatori così potenti e comprendiamo i processi abbastanza bene per poter compiere questo tipo di ricerche».

Hen e i suoi colleghi hanno esaminato le interazioni registrate nella miniera di dati raccolti dal Clas, un rilevatore di particelle che si trova presso il Jefferson Laboratory. L’acceleratore del JLab produce fasci di elettroni con un’intensità e un’energia senza precedenti. Il rivelatore Clas è stato operativo dal 1988 al 2012 e i risultati di questi esperimenti sono stati resi disponibili ai ricercatori per cercare altri fenomeni sepolti nei dati.

Veduta aerea del Jefferson Lab. Crediti: Wikimedia Common
Veduta aerea del Jefferson Lab. Crediti: Wikimedia Common

Nel loro nuovo studio, gli scienziati hanno analizzato una miriade di dati, pari ad alcuni milioni di miliardi di elettroni che hanno colpito nuclei atomici nel rivelatore Clas. Il fascio di elettroni è stato rivolto verso lamine di carbonio, piombo, alluminio e ferro, ciascuno con atomi con un rapporto variabile tra protoni e neutroni. Quando un elettrone si scontra con un protone o un neutrone in un atomo, l’energia con la quale si disperde è proporzionale all’energia e al momento del nucleone colpito. «Se so con quanta forza ho colpito qualcosa, e quanto velocemente questo qualcosa è stato sbalzato via, posso ricostruire il momento iniziale della cosa che è stata colpita», spiega Hen. Con questo generico approccio, il team ha esaminato milioni di miliardi di collisioni di elettroni, tentando di isolare e calcolare il momento di diverse centinaia di coppie di nucleoni con alto momento. Hen paragona queste coppie a “goccioline di stelle di neutroni”, poiché il loro momento e la distanza tra loro sono simili alle condizioni estremamente dense nel nucleo di una stella di neutroni.

Hanno trattato ogni coppia isolata come un’istantanea e organizzato le diverse centinaia di istantanee in una distribuzione di momenti. All’estremità inferiore di questa distribuzione, hanno osservato una diminuzione delle coppie protone-protone, a indicazione del fatto che la forza nucleare forte agisce principalmente attirando i protoni verso i neutroni in corrispondenza di momenti intermedi e su brevi distanze. Più avanti, lungo la distribuzione, hanno osservato una transizione: sembrano esserci più coppie protone-protone e, per simmetria, coppie neutrone-neutrone, suggerendo che, a momenti maggiori o distanze sempre più brevi, la forza nucleare forte agisce non solo su protoni e neutroni, ma anche su protoni e protoni, e neutroni e neutroni.

In natura, questa forza di accoppiamento è considerata repulsiva, nel senso che su breve distanze i neutroni interagiscono respingendosi a vicenda. «L’idea di un nucleo repulsivo nel contesto della forza nucleare forte è qualcosa di mitico, che esiste ma che non sappiamo raggiungere, come un portale per un altro reame», afferma Schmidt. «Ora abbiamo le prove che questa transizione ci sta guardando negli occhi, ed è davvero sorprendente».

I ricercatori ritengono che questa transizione verso una forza nucleare forte potrebbe aiutare a capire meglio la struttura di una stella di neutroni. Precedentemente, Hen aveva già trovato le prove che, nel nucleo esterno delle stelle di neutroni, i neutroni si accoppiano principalmente con protoni, grazie a una forte attrazione. Con il loro nuovo studio, i ricercatori hanno trovato prove che quando le particelle sono imballate in configurazioni molto più dense, e separate da distanze più brevi, la forza nucleare forte genera una forza repulsiva tra i neutroni che, al centro di una stella di neutroni, aiuta a prevenire il collasso della stella stessa.

Oltre a questa sorprendente scoperta, il team ne ha fatte altre due. Una è che le loro osservazioni corrispondono alle previsioni di un modello sorprendentemente semplice che descrive la formazione di correlazioni a corto raggio dovute alla forza nucleare forte. L’altra è che, contro ogni aspettativa, il nucleo di una stella di neutroni può essere descritto rigorosamente da interazioni tra protoni e neutroni, senza tenere conto esplicitamente di interazioni più complesse tra quark e gluoni, che compongono i singoli nucleoni.

Una stella di neutroni è l’oggetto più denso che gli astronomi possono osservare direttamente. La sua densità è paragonabile a quella che si ottiene mettendo mezzo milione di volte la massa terrestre in una sfera di circa 22 chilometri di diametro, o in altre parole di dimensioni simili a quelle dell’isola di Manhattan, come mostrato in questa illustrazione. Crediti: Nasa/Goddard Space Flight Center
Una stella di neutroni è l’oggetto più denso che gli astronomi possono osservare direttamente. La sua densità è paragonabile a quella che si ottiene mettendo mezzo milione di volte la massa terrestre in una sfera di circa 22 chilometri di diametro, o in altre parole di dimensioni simili a quelle dell’isola di Manhattan, come mostrato in questa illustrazione. Crediti: Nasa/Goddard Space Flight Center

Confrontando le loro osservazioni con diversi modelli di forza nucleare forte, hanno trovato una notevole corrispondenza con le previsioni dell’Argonne V18, un modello sviluppato da un gruppo di ricerca dell’Argonne National Laboratory, che ha considerato 18 modi diversi di interagire tra i nucleoni, separati da distanze sempre più brevi. Ciò significa che, se gli scienziati volessero calcolare le proprietà di una stella di neutroni, Hen afferma che potrebbero farlo utilizzando un particolare modello dell’Argonne V18, per stimare con precisione le interazioni della forza nucleare forte tra coppie di nucleoni nel nucleo. I nuovi dati possono anche essere utilizzati per confrontare approcci alternativi nella modellazione dei nuclei di stelle di neutroni.

Ciò che i ricercatori hanno trovato più eccitante è che questo stesso modello, così come è stato scritto, descrive le interazioni di nucleoni a distanze estremamente brevi, senza tener conto esplicitamente dei quark e dei gluoni. I fisici avevano ipotizzato che, in ambienti estremamente densi e caotici come i nuclei delle stelle di neutroni, le interazioni tra neutroni avrebbero potuto dar luogo a forze più complesse tra quark e gluoni. Poiché il modello non tiene conto di queste interazioni più complesse, e visto che le sue previsioni sulle brevi distanze corrispondono alle osservazioni, è probabile che il nucleo di una stella di neutroni possa veramente essere descritto in un modo meno complicato. «Le persone presumevano che il sistema fosse così denso da dover essere considerato una zuppa di quark e gluoni», spiega Hen. «Ma anche alle densità più elevate, possiamo descrivere queste interazioni usando i protoni e neutroni, che sembrano mantenere le loro identità e non si trasformano in questa zuppa di quark. Quindi i nuclei delle stelle di neutroni potrebbero essere molto più semplici di quanto si sia sempre pensato. E questa è una grandissima sorpresa».

Per saperne di più: Leggi su Nature l’articolo “Probing the core of the strong nuclear interaction” di Schmidt, J. R. Pybus, R. Weiss, E. P. Segarra, A. Hrnjic, A. Denniston, O. Hen, E. Piasetzky, L. B. Weinstein, N. Barnea, M. Strikman, A. Larionov, D. Higinbotham & The CLAS Collaboration

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