Una forza a tre corpi alla base degli quark iperioni

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L’enigma dei quark strani nelle stelle di neutroni, una forza a tre corpi per il puzzle degli iperoni. Uno studio teorico condotto da fisici dell’Università di Pisa e pubblicato su European Physical Journal A ipotizza la presenza di una nuova forza a tre corpi, tra due nucleoni e un iperone, per spiegare il paradosso scientifico degli iperoni nelle stelle di neutroni

Le stelle di neutroni sono gli oggetti macroscopici più densi dell’universo e rappresentano degli incomparabili laboratori naturali per investigare i costituenti della materia e le loro interazioni in condizioni fisiche estreme che non possono essere realizzate in nessun laboratorio terrestre. La struttura di questi corpi celesti è assai complessa e non completamente nota. Secondo gli scienziati, nella regione più interna della stella, il cosiddetto core, oltre ai neutroni e ai protoni (detti collettivamente nucleoni), sarebbero presenti altre particelle subatomiche, fra cui gli iperoni: barioni nei quali sono presenti quark strani.

Rappresentazione artistica di una stella di neutroni. Crediti: Eso/L. Calçada
L’impressione di questo artista mostra la magnetar nel ricchissimo e giovane ammasso stellare Westerlund 1. Questo straordinario ammasso contiene centinaia di stelle molto imponenti, alcune brillanti con uno splendore di quasi un milione di soli. Gli astronomi europei hanno dimostrato per la prima volta che questa magnetar – un insolito tipo di stella di neutroni con un campo magnetico estremamente forte – probabilmente si è formata come parte di un sistema binario di stelle. La scoperta dell’ex compagno della magnetar altrove nel cluster aiuta a risolvere il mistero di come una stella che è partita così massiccia potrebbe diventare una magnetar, piuttosto che crollare in un buco nero.

«Gli iperoni sono i primi costituenti “esotici” previsti nelle stelle di neutroni. Dato che la massa degli iperoni più leggeri è di poco più alta rispetto a quella di neutroni e protoni, semplici considerazioni termodinamiche suggeriscono che gli iperoni vengano creati nel nucleo delle stelle di neutroni. Ad alte densità è infatti energeticamente conveniente convertire parte di neutroni e protoni in iperoni, dato che questo processo abbassa l’energia del sistema», spiega a Media Inaf Domenico Logoteta dell’Università di Pisa, primo autore di un articolo, pubblicato a novembre su European Physical Journal A, nel quale si propone una soluzione del cosiddetto hyperon puzzle: un paradosso scientifico che riguarda la relazione fra la massa delle stelle di neutroni e – appunto – la presenza di iperoni al loro interno.

Da sinistra: Domenico Logoteta e Ignazio Bombaci, autori insieme a Isaac Vidaña dell’articolo pubblicato su European Physical Journal A
Da sinistra: Domenico Logoteta e Ignazio Bombaci, autori insieme a Isaac Vidaña dell’articolo pubblicato su European Physical Journal A

Ci sono infatti delle stelle di neutroni la cui massa misurata è più grande di quanto previsto teoricamente considerata la presenza degli iperoni. Queste particelle rendono la materia più “soffice”, e di conseguenza diminuiscono la massa limite al di sopra della quale una stella di neutroni collassa in un buco nero.

Per risolvere l’enigma è stata quindi ipotizzata la presenza di una forza a tre corpi – «tra due nucleoni e un iperone», precisa Logoteta – che avrebbe un duplice effetto sulle proprietà della materia stellare: fa sì che gli iperoni si formino nel core stellare a densità più alte e, inoltre, ne riduce notevolmente la concentrazione.

«Questi due effetti combinati fanno aumentare la pressione all’interno della stella, ossia fanno diventare “più dura” la materia stellare, il che rende possibile ottenere stelle iperoniche», conclude un altro degli autori dello studio, Ignazio Bombaci, anch’egli dell’ateneo pisano, «cioè stelle di neutroni contenenti iperoni, che hanno masse in accordo con i valori misurati, risolvendo in tal modo l’hyperon puzzle».

Per saperne di più: Leggi su European Physical Journal A l’articolo “Impact of chiral hyperonic three-body forces on neutron stars”, di Domenico Logoteta, Isaac Vidaña e Ignazio Bombaci

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