I nuovi risultati dei rivelatori di particelle di precisione del Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) offrono uno sguardo nuovo sulle interazioni delle particelle che avvengono nei nuclei delle stelle di neutroni e danno ai fisici nucleari un nuovo modo per cercare le violazioni delle simmetrie fondamentali nell'universo. I risultati, appena pubblicato in Fisica della natura , potrebbe essere ottenuto solo con un potente collisore di ioni come RHIC, una struttura per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) per la ricerca sulla fisica nucleare presso il Brookhaven National Laboratory del DOE.

Le misurazioni di precisione rivelano che l'energia di legame che tiene insieme i componenti del più semplice nucleo di "materia strana", noto come "ipertritone, " è maggiore di quello ottenuto dal precedente, esperimenti meno precisi. Il nuovo valore potrebbe avere importanti implicazioni astrofisiche per comprendere le proprietà delle stelle di neutroni, dove si prevede che la presenza di particelle contenenti i cosiddetti quark "strani" sia comune.

La seconda misurazione era una ricerca di una differenza tra la massa dell'ipertritone e la sua controparte di antimateria, l'antiipertritone (il primo nucleo contenente un quark antistrano, scoperto al RHIC nel 2010). I fisici non hanno mai trovato una differenza di massa tra i partner materia-antimateria, quindi vederne uno sarebbe una grande scoperta. Sarebbe la prova della violazione del "CPT", una violazione simultanea di tre simmetrie fondamentali in natura relative all'inversione di carica, parità (simmetria speculare), E tempo.

"I fisici hanno visto la violazione della parità, e violazione della PC insieme (ognuno guadagnando un premio Nobel per Brookhaven Lab[-), ma mai CPT, " ha detto il fisico di Brookhaven Zhangbu Xu, co-portavoce dell'esperimento STAR di RHIC, dove è stata fatta la ricerca sull'ipertritone.

Ma nessuno ha cercato la violazione del CPT nell'ipertritone e nell'antiipertritone, Egli ha detto, "perché nessun altro potrebbe ancora."

Il precedente test CPT del nucleo più pesante è stato eseguito dalla collaborazione ALICE presso il Large Hadron Collider (LHC) dell'Europa, con una misurazione della differenza di massa tra l'elio-3 ordinario e l'antielio-3. Il risultato, non mostra differenze significative, è stato pubblicato in Fisica della natura nel 2015.

Avviso spoiler:i risultati di STAR non rivelano alcuna differenza di massa significativa tra i partner materia-antimateria esplorati al RHIC, quindi non ci sono ancora prove di violazione del CPT. Ma il fatto che i fisici STAR possano persino effettuare le misurazioni è una testimonianza delle notevoli capacità del loro rivelatore.

Strana cosa

I nuclei di materia normale più semplici contengono solo protoni e neutroni, con ciascuna di quelle particelle fatte di ordinari quark "up" e "down". Negli ipertritoni, un neutrone è sostituito da una particella chiamata lambda, che contiene uno strano quark insieme alle normali varietà up e down.

Tali strane sostituzioni di materia sono comuni nelle condizioni ultra-dense create nelle collisioni di RHIC e sono anche probabili nei nuclei delle stelle di neutroni dove un singolo cucchiaino di materia peserebbe più di 1 miliardo di tonnellate. Questo perché l'alta densità rende meno costoso dal punto di vista energetico produrre quark strani rispetto alle normali varietà up e down.

Per tale motivo, Le collisioni RHIC offrono ai fisici nucleari un modo per scrutare le interazioni subatomiche all'interno di oggetti stellari distanti senza mai lasciare la Terra. E poiché le collisioni RHIC creano ipertritoni e antiipertritoni in quantità quasi uguali, offrono anche un modo per cercare la violazione del CPT.

Ma trovare quelle particelle rare tra le migliaia che fluiscono da ogni frantumazione di particelle RHIC, con collisioni che si verificano migliaia di volte al secondo, è un compito arduo. Aggiungete alla sfida il fatto che queste particelle instabili decadono non appena si formano, a pochi centimetri dal centro del rivelatore STAR largo quattro metri.

Rilevamento di precisione

Fortunatamente, i componenti del rivelatore aggiunti a STAR per tracciare diversi tipi di particelle hanno reso la ricerca un gioco da ragazzi. Questi componenti, chiamato "inseguitore di sapori pesanti, " si trovano molto vicino al centro del rivelatore STAR. Sono stati sviluppati e costruiti da un team di collaboratori STAR guidati da scienziati e ingegneri del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del DOE. Questi componenti interni consentono agli scienziati di abbinare le tracce create dal decadimento prodotti di ogni ipertritone e antiipertritone con il loro punto di origine appena fuori dalla zona di collisione.

"Quello che cerchiamo sono le particelle "figlie", i prodotti di decadimento che colpiscono i componenti del rivelatore ai bordi esterni di STAR, " ha affermato il fisico del Berkeley Lab Xin Dong. Identificare tracce di coppie o triplette di particelle figlie che hanno origine da un singolo punto appena fuori dalla zona di collisione primaria consente agli scienziati di raccogliere questi segnali dal mare di altre particelle che fluiscono da ogni collisione RHIC.

"Quindi calcoliamo il momento di ogni particella figlia da un decadimento (in base a quanto si piegano nel campo magnetico di STAR), e da ciò possiamo ricostruire le loro masse e la massa dell'ipertritone genitore o della particella antiipertritone prima che decadasse, " ha spiegato Declan Keane della Kent State University (KSU). Distinguere l'ipertritone e l'antiipertritone è facile perché decadono in figlie diverse, Ha aggiunto.

"La squadra di Keane, tra cui Irakli Chakeberia, si è specializzata nel tracciare queste particelle attraverso i rilevatori per "collegare i puntini, '", ha detto Xu. "Hanno anche fornito la necessaria visualizzazione degli eventi".

Come notato, la compilazione dei dati di molte collisioni non ha rivelato alcuna differenza di massa tra la materia e gli ipernuclei di antimateria, quindi non ci sono prove di violazione del CPT in questi risultati.

Ma quando i fisici STAR hanno esaminato i loro risultati per l'energia di legame dell'ipertritone, si è rivelato essere più grande di quanto avevano trovato le misurazioni precedenti degli anni '70.

I fisici STAR hanno derivato l'energia di legame sottraendo il loro valore per la massa dell'ipertritone dalle masse note combinate delle sue particelle costitutive:un deuterone (uno stato legato di un protone e un neutrone) e un lambda.

"L'ipertritone pesa meno della somma delle sue parti perché parte di quella massa viene convertita nell'energia che lega insieme i tre nucleoni, ", ha affermato Jinhui Chen, collaboratore della Fudan University STAR, il cui dottorato alunno, Peng Liu, analizzato i grandi set di dati per arrivare a questi risultati. "Questa energia di legame è davvero una misura della forza di queste interazioni, quindi la nostra nuova misurazione potrebbe avere importanti implicazioni per la comprensione dell'"equazione di stato" delle stelle di neutroni, " Ha aggiunto.

Per esempio, nei calcoli del modello, la massa e la struttura di una stella di neutroni dipendono dalla forza di queste interazioni. "C'è un grande interesse nel capire come queste interazioni, una forma della forza forte, siano diverse tra nucleoni ordinari e nucleoni strani contenenti fino, fuori uso, e strani quark, " disse Chen. "Poiché questi ipernuclei contengono un singolo lambda, questo è uno dei modi migliori per fare confronti con le previsioni teoriche. Riduce il problema alla sua forma più semplice."