La maggior parte della materia ordinaria è tenuta insieme da una colla subatomica invisibile nota come forza nucleare forte, una delle quattro forze fondamentali in natura, insieme alla gravità, elettromagnetismo, e la forza debole. La forza nucleare forte è responsabile della spinta e dell'attrazione tra protoni e neutroni nel nucleo di un atomo, che impedisce a un atomo di collassare su se stesso.

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

Sebbene tali interazioni a distanza ultracorta siano rare nella maggior parte della materia sulla Terra, definiscono 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 lottato per spiegare come funziona la forza nucleare forte a distanze così brevi.

Ora i fisici al MIT e altrove hanno caratterizzato per la prima volta la forza nucleare forte, e le interazioni tra protoni e neutroni, a distanze estremamente brevi.

Hanno eseguito un'ampia analisi dei dati su precedenti esperimenti con acceleratori di particelle, e ha scoperto che man mano che la distanza tra protoni e neutroni si accorcia, una transizione sorprendente si verifica nelle loro interazioni. Dove a grandi distanze, la forza nucleare forte agisce principalmente per attirare un protone su un neutrone, a distanze molto brevi, la forza diventa essenzialmente indiscriminata:possono verificarsi interazioni non solo per attirare un protone su un neutrone, ma anche respingere, o allontanare coppie di neutroni.

"Questo è il primo sguardo molto dettagliato su ciò che accade alla forza nucleare forte a distanze molto brevi, " dice o gallina, assistente professore di fisica al MIT. "Questo ha enormi implicazioni, principalmente per le stelle di neutroni e anche per la comprensione dei sistemi nucleari nel loro insieme."

Hen e i suoi colleghi hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Natura . I suoi coautori includono il primo autore Axel Schmidt Ph.D. '16, un ex studente laureato e postdoc, insieme allo studente laureato Jackson Pybus, studente universitario Adin Hrnjic e altri colleghi del MIT, l'Università Ebraica, Università di Tel Aviv, Università del Vecchio Dominio, e membri della Collaborazione CLAS, un gruppo multi-istituzionale di scienziati coinvolti con il CEBAF Large Accelerator Spectrometer (CLAS), un acceleratore di particelle al Jefferson Laboratory di Newport News, Virginia.

Istantanea della goccia di stelle

Le interazioni a brevissima distanza tra protoni e neutroni sono rare nella maggior parte dei nuclei atomici. Per rilevarli è necessario colpire gli atomi 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 ad alto momento, un'indicazione che le particelle devono interagire a distanze estremamente brevi.

"Per fare questi esperimenti, hai bisogno di acceleratori di particelle ad alta corrente, " Hen dice. "Solo di recente abbiamo la capacità di rilevare, e comprendere i processi abbastanza bene per svolgere questo tipo di lavoro."

Hen e i suoi colleghi hanno cercato le interazioni estraendo dati precedentemente raccolti da CLAS, un rivelatore di particelle delle dimensioni di una casa al Jefferson Laboratory; l'acceleratore JLab produce fasci di elettroni ad alta intensità e alta energia senza precedenti. Il rivelatore CLAS è stato operativo dal 1988 al 2012, e da allora i risultati di quegli esperimenti sono stati disponibili per i ricercatori per cercare altri fenomeni sepolti nei dati.

Nel loro nuovo studio, i ricercatori hanno analizzato una serie di dati, pari ad alcuni quadrilioni di elettroni che colpiscono i nuclei atomici nel rivelatore CLAS. Il fascio di elettroni era rivolto a lamine di carbonio, guida, alluminio, e ferro, ciascuno con atomi di rapporti variabili tra protoni e neutroni. Quando un elettrone si scontra con un protone o un neutrone in un atomo, l'energia alla quale si disperde è proporzionale all'energia e alla quantità di moto del corrispondente nucleone.

"Se so quanto forte ho preso a calci qualcosa e quanto velocemente è uscito, Posso ricostruire lo slancio iniziale della cosa che è stata presa a calci, " spiega Gallina.

Con questo approccio generale, il team ha esaminato i quadrilioni di collisioni di elettroni ed è riuscito a isolare e calcolare il momento di diverse centinaia di coppie di nucleoni ad alto momento. Hen paragona queste coppie a "goccioline di stelle di neutroni, "come il loro slancio, e la loro distanza dedotta tra loro, è simile alle condizioni estremamente dense nel nucleo di una stella di neutroni.

Hanno trattato ogni coppia isolata come una "istantanea" e hanno organizzato le diverse centinaia di istantanee lungo una distribuzione del momento. Nella parte bassa di questa distribuzione, hanno osservato una soppressione delle coppie protone-protone, indicando che la forza nucleare forte agisce principalmente per attrarre protoni verso neutroni ad alto momento intermedio, e brevi distanze.

Più avanti nella distribuzione, hanno osservato una transizione:sembrava esserci più protone-protone e, per simmetria, coppie neutrone-neutrone, suggerendo che, a maggiore slancio, 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. Questa forza di accoppiamento è intesa come di natura repulsiva, nel senso che a brevi distanze, i neutroni interagiscono respingendosi fortemente l'un l'altro.

"Questa idea di un nucleo repulsivo nella forza nucleare forte è qualcosa lanciato come questa cosa mitica che esiste, ma non sappiamo come arrivarci, come questo portale da un altro regno, " dice Schmidt. "E ora abbiamo dati in cui questa transizione ci sta guardando in faccia, e questo è stato davvero sorprendente".

I ricercatori ritengono che questa transizione nella forza nucleare forte possa aiutare a definire meglio la struttura di una stella di neutroni. Hen aveva precedentemente trovato prove che nel nucleo esterno delle stelle di neutroni, i neutroni si accoppiano principalmente con i protoni attraverso la forte attrazione. Con il loro nuovo studio, i ricercatori hanno trovato prove che quando le particelle sono impacchettate in configurazioni molto più dense e separate da distanze più brevi, la forza nucleare forte crea una forza repulsiva tra i neutroni che, nel nucleo di una stella di neutroni, aiuta a non far crollare la stella su se stessa.

Meno di un sacchetto di quark

Il team ha fatto altre due scoperte. Per uno, 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. Per un altro, contro le aspettative, il nucleo di una stella di neutroni può essere descritto strettamente dalle interazioni tra protoni e neutroni, senza dover tenere conto esplicitamente delle interazioni più complesse tra i quark e i gluoni che compongono i singoli nucleoni.

Quando i ricercatori hanno confrontato le loro osservazioni con diversi modelli esistenti della forza nucleare forte, hanno trovato una notevole corrispondenza con le previsioni di Argonne V18, un modello sviluppato da un gruppo di ricerca dell'Argonne National Laboratory, che ha considerato 18 diversi modi in cui i nucleoni possono interagire, poiché sono separati da distanze sempre più brevi.

Ciò significa che se gli scienziati vogliono calcolare le proprietà di una stella di neutroni, Hen dice che possono usare questo particolare modello Argonne V18 per stimare con precisione le forti interazioni della forza nucleare tra coppie di nucleoni nel nucleo. I nuovi dati possono essere utilizzati anche per confrontare approcci alternativi alla modellazione dei nuclei delle stelle di neutroni.

Ciò che i ricercatori hanno trovato più eccitante è che questo stesso modello, come è scritto, descrive l'interazione dei nucleoni a distanze estremamente brevi, senza tener conto esplicitamente di quark e gluoni. I fisici avevano supposto che in ambienti estremamente densi, ambienti caotici come nuclei di stelle di neutroni, le interazioni tra neutroni dovrebbero lasciare il posto alle forze più complesse tra quark e gluoni. Poiché il modello non tiene conto di queste interazioni più complesse, e poiché le sue previsioni a breve distanza corrispondono alle osservazioni del team, Hen dice che è probabile che il nucleo di una stella di neutroni possa essere descritto in un modo meno complicato.

"La gente presumeva che il sistema fosse così denso che dovrebbe essere considerato come una zuppa di quark e gluoni, " Hen spiega. "Ma troviamo anche alle più alte densità, possiamo descrivere queste interazioni usando protoni e neutroni; sembrano mantenere la loro identità e non si trasformano in questo sacco di quark. Quindi i nuclei delle stelle di neutroni potrebbero essere molto più semplici di quanto si pensasse. È una grande sorpresa".