I protoni carichi positivamente nei nuclei atomici dovrebbero in realtà respingersi l'un l'altro, eppure anche nuclei pesanti con molti protoni e neutroni restano uniti. La cosiddetta interazione forte è responsabile di ciò. La prof.ssa Laura Fabbietti e il suo gruppo di ricerca presso l'Università tecnica di Monaco (TUM) hanno ora sviluppato un metodo per misurare con precisione l'interazione forte utilizzando le collisioni di particelle nell'esperimento ALICE al CERN di Ginevra.

L'interazione forte è una delle quattro forze fondamentali in fisica. È essenzialmente responsabile dell'esistenza di nuclei atomici costituiti da diversi protoni e neutroni. Protoni e neutroni sono costituiti da particelle più piccole, i cosiddetti quark. E anche loro sono tenuti insieme dalla forte interazione.

Nell'ambito del progetto ALICE (A Large Ion Collider Experiment) al CERN di Ginevra, La Prof.ssa Laura Fabbietti e il suo gruppo di ricerca presso l'Università Tecnica di Monaco hanno ora sviluppato un metodo per determinare con elevata precisione le forze che agiscono tra protoni e iperoni, particelle instabili comprendenti i cosiddetti quark strani.

Le misurazioni non sono solo rivoluzionarie nel campo della fisica nucleare, ma anche la chiave per comprendere le stelle di neutroni, uno degli oggetti più enigmatici e affascinanti del nostro universo.

Confronto tra teoria ed esperimento

Una delle più grandi sfide della fisica nucleare oggi è capire la forte interazione tra particelle con contenuto di quark diverso dai primi principi, questo è, a partire dalla forte interazione tra i costituenti delle particelle, i quark e i gluoni, che trasmettono la forza di interazione.

La teoria dell'interazione forte può essere utilizzata per determinare la forza dell'interazione. Però, questi calcoli non forniscono previsioni affidabili per nucleoni normali con quark up e down, ma per i nucleoni che contengono quark pesanti, come gli iperoni che contengono uno o più quark strani.

Gli esperimenti per determinare l'interazione forte sono estremamente difficili perché gli iperoni sono particelle instabili che stanno rapidamente decadendo dopo la produzione. Questa difficoltà ha finora impedito un confronto significativo tra teoria ed esperimento. Il metodo di ricerca messo in campo dalla Prof.ssa Laura Fabbietti apre ora le porte a studi ad alta precisione della dinamica della forza forte al Large Hadron Collider (LHC).

Misura della forza forte anche per il più raro iperone

Quattro anni fa, Prof. Fabbietti, professore di Materia Adronica Densa e Strana al TUM, proposto di impiegare una tecnica chiamata femtoscopia per studiare l'interazione forte nell'esperimento ALICE. La tecnica consente di studiare scale spaziali vicine a 1 femtometro (10^-15 metro) - circa le dimensioni di un protone - e l'intervallo spaziale dell'azione della forza forte.

Nel frattempo, Il gruppo del Prof. Fabbietti al TUM è riuscito non solo ad analizzare i dati sperimentali per la maggior parte delle combinazioni iperone-nucleone, sono anche riusciti a misurare l'interazione forte per il più raro di tutti gli iperoni, l'Omega, composto da tre quark strani. Per di più, il gruppo ha anche sviluppato un proprio framework in grado di produrre previsioni teoriche.

"Il mio gruppo TUM ha aperto una nuova strada per la fisica nucleare all'LHC, uno che coinvolge tutti i tipi di quark, raggiungendo una precisione inaspettata in un luogo che nessuno ha guardato così lontano, " afferma il prof. Fabbietti. Il lavoro pubblicato ora su "natura" presenta solo alcune delle tante interazioni misurate per la prima volta.

Le stelle di neutroni contengono iperoni?

Comprendere l'interazione tra iperoni e nucleoni è anche estremamente importante per testare l'ipotesi se le stelle di neutroni contengano iperoni. Le forze che esistono tra le particelle hanno un'influenza diretta sulla dimensione di una stella di neutroni.

Finora, la relazione tra la massa e il raggio di una stella di neutroni è sconosciuta. Nel futuro, Il lavoro del prof. Fabbietti aiuterà quindi anche a risolvere l'enigma delle stelle di neutroni.