Non capita spesso nella fisica nucleare di poter cogliere chiaramente entrambi i lati della storia, ma un recente esperimento ha permesso ai ricercatori di fare proprio questo. Hanno confrontato nuclei molto simili tra loro per avere una visione più chiara di come sono disposti i componenti dei nuclei e hanno scoperto che c'è ancora molto da imparare sul cuore della materia. La ricerca, effettuata presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell'Energia, è stato recentemente pubblicato come lettura suggerita dagli editori Lettere di revisione fisica .

"Vogliamo studiare la struttura nucleare, che è fondamentalmente come si comportano protoni e neutroni all'interno di un nucleo, " spiega Reynier Cruz-Torres, un ricercatore post-dottorato presso il Lawrence Berkeley National Lab del DOE che ha lavorato all'esperimento come studente laureato presso il Massachusetts Institute of Technology. "Fare quello, possiamo misurare qualsiasi nucleo che vogliamo. Ma per fare un test ad alta precisione della teoria nucleare, siamo limitati a nuclei leggeri che hanno calcoli di precisione. La misurazione di questi nuclei leggeri è un punto di riferimento per comprendere la struttura nucleare in generale".

Per questa misura, i ricercatori si sono concentrati su due dei nuclei più semplici e leggeri dell'universo:elio e idrogeno. Si sono concentrati su un isotopo dell'elio chiamato elio-3, così chiamato perché contiene solo tre componenti principali:due protoni e un neutrone. L'isotopo dell'idrogeno che hanno testato, trizio, è composto anche da tre componenti:un protone e due neutroni.

"Sono nuclei specchio. Quindi, puoi presumere che i protoni nell'elio-3 siano sostanzialmente gli stessi dei neutroni nel trizio e viceversa, "dice Florian Hauenstein, un ricercatore postdottorato congiunto presso la Old Dominion University e il MIT.

Secondo i ricercatori, confrontando questi nuclei relativamente semplici, possono aprire una finestra sulle forti interazioni nucleari che non possono essere duplicate altrove. Questo perché, essendo alcuni dei nuclei più leggeri e meno complicati dell'universo, questi nuclei sono ottimi esempi di confronto con le teorie allo stato dell'arte che descrivono le strutture di base dei diversi nuclei.

"I calcoli teorici ci sono stati per un po', ma non sapevamo quanto fossero bravi, " spiega Dien Nguyen, un ricercatore post-dottorato al MIT e Nathan Isgur Fellow in esperimento nucleare al Jefferson Lab. "Così, con questa ricerca, siamo in grado di dire quantitativamente quanto è buono il calcolo. Penso che sia un passo davvero importante".

Per fare il confronto, i ricercatori hanno misurato entrambi i nuclei in esperimenti ad alta precisione nel Continuous Electronic Beam Accelerator Facility (CEBAF), una struttura per gli utenti DOE con sede presso Jefferson Lab.

Gli elettroni del CEBAF erano diretti ai nuclei di trizio ed elio-3, dove alcuni interagivano con i protoni dei nuclei. I protoni colpiti e gli elettroni interagenti sono stati quindi catturati e misurati in grandi rivelatori chiamati spettrometri nella Experimental Hall A del Jefferson Lab.

"Usiamo gli spettrometri per studiare le proprietà di quelle particelle allo stato finale e guardiamo indietro al nucleo e cerchiamo di capire cosa stava succedendo all'interno del nucleo prima che la reazione avesse luogo, " dice Cruz-Torres.

Questo esperimento è stato impegnativo e innovativo in quanto è stato condotto a una gamma più ampia di energie con una precisione senza precedenti. Inoltre, i dati del trizio sono i primissimi in assoluto per coloro che studiano queste reazioni.

I ricercatori hanno quindi confrontato l'intera gamma di dati degli esperimenti con i calcoli teorici sulle strutture dei nuclei di elio-3 e trizio. Hanno scoperto che i dati generalmente corrispondevano alla teoria per entrambi i nuclei con la precisione consentita dall'esperimento, un'impresa che è stata descritta da un ricercatore come un trionfo della fisica nucleare moderna. Però, sono state osservate differenze anche rispetto ad alcuni calcoli, indicando che sono necessari ulteriori perfezionamenti nei trattamenti teorici.

"Ci aspettavamo che i calcoli dell'elio-3 alla fine corrispondessero facilmente ai dati, ma in realtà si è scoperto che la sezione d'urto del trizio si adattava molto bene al calcolo teorico, e l'elio-3 non tanto attraverso l'intera gamma. Così, dobbiamo tornare indietro e guardare l'elio-3, " spiega Hauenstein.

Dien conferma che questo risultato inaspettato è ora l'impulso per continuare sul serio questi studi ad alta precisione sui nuclei leggeri.

"Prima, pensavamo di avere un'ottima comprensione dei calcoli, " dice Nguyen. "Ma ora, il risultato è ciò che ci spinge a fare una misurazione ancora più dettagliata, perché vogliamo assicurarci di avere un buon accordo con la teoria".