I fisici al MIT e altrove stanno lanciando fasci di ioni contro nuvole di protoni, come lanciare dardi nucleari alla velocità della luce, per mappare la struttura del nucleo di un atomo.

L'esperimento è un'inversione dei soliti acceleratori di particelle, che scagliano elettroni contro i nuclei atomici per sondarne le strutture. Il team ha utilizzato questo approccio di "cinematica inversa" per setacciare il disordinato, influenze della meccanica quantistica all'interno di un nucleo, per fornire una visione chiara dei protoni e dei neutroni di un nucleo, così come le sue coppie correlate a corto raggio (SRC). Queste sono coppie di protoni o neutroni che si legano brevemente per formare goccioline super-dense di materia nucleare e che si pensa dominino gli ambienti ultradensi nelle stelle di neutroni.

I risultati, pubblicato oggi in Fisica della natura , dimostrare che la cinematica inversa può essere utilizzata per caratterizzare la struttura di nuclei più instabili, ingredienti essenziali che gli scienziati possono utilizzare per comprendere la dinamica delle stelle di neutroni e i processi mediante i quali generano elementi pesanti.

"Abbiamo aperto la porta allo studio delle coppie SRC, non solo nei nuclei stabili ma anche nei nuclei ricchi di neutroni che sono molto abbondanti in ambienti come le fusioni di stelle di neutroni, " dice il coautore dello studio Or Hen, assistente professore di fisica al MIT. "Questo ci avvicina alla comprensione di tali fenomeni astrofisici esotici".

I coautori di Hen includono Jullian Kahlbow e Efrain Segarra del MIT, Eli Piasetzky dell'Università di Tel-Aviv, e ricercatori dell'Università tecnica di Darmstadt, l'Istituto congiunto per la ricerca nucleare (JINR) in Russia, la Commissione francese per le energie alternative e l'energia atomica (CEA), e il Centro Helmholtz GSI per la ricerca sugli ioni pesanti in Germania.

Un acceleratore invertito

Gli acceleratori di particelle tipicamente sondano le strutture nucleari attraverso la diffusione di elettroni, in cui gli elettroni ad alta energia vengono irradiati a una nube stazionaria di nuclei bersaglio. Quando un elettrone colpisce un nucleo, elimina protoni e neutroni, e l'elettrone perde energia nel processo. I ricercatori misurano l'energia del fascio di elettroni prima e dopo questa interazione per calcolare le energie originali dei protoni e dei neutroni che sono stati allontanati.

Mentre lo scattering di elettroni è un modo preciso per ricostruire la struttura di un nucleo, è anche un gioco d'azzardo. La probabilità che un elettrone colpisca un nucleo è relativamente bassa, dato che un singolo elettrone è infinitamente piccolo rispetto a un intero nucleo. Per aumentare questa probabilità, i fasci sono caricati con densità di elettroni sempre più elevate.

Gli scienziati usano anche fasci di protoni invece di elettroni per sondare i nuclei, poiché i protoni sono relativamente più grandi e hanno maggiori probabilità di colpire il loro obiettivo. Ma i protoni sono anche più complessi, e fatto di quark e gluoni, le cui interazioni possono confondere l'interpretazione finale del nucleo stesso.

Per avere un quadro più chiaro, i fisici negli ultimi anni hanno invertito la configurazione tradizionale:puntando un fascio di nuclei, o ioni, su un bersaglio di protoni, gli scienziati non solo possono misurare direttamente i protoni e i neutroni eliminati, ma confrontare anche il nucleo originario con il nucleo residuo, o frammento nucleare, dopo che ha interagito con un protone bersaglio.

"Con cinematica invertita, sappiamo esattamente cosa succede a un nucleo quando rimuoviamo i suoi protoni e neutroni, "Dice Gallina.

Setacciatura quantistica

Il team ha adottato questo approccio a cinematica invertita alle energie ultraelevate, utilizzando l'acceleratore di particelle di JINR per mirare a una nube stazionaria di protoni con un fascio di nuclei di carbonio-12, che hanno sparato a 48 miliardi di elettronvolt, ordini di grandezza superiori alle energie che si trovano naturalmente nei nuclei.

A energie così elevate, qualsiasi nucleone che interagisce con un protone risalta nei dati, rispetto ai nucleoni non interagenti che passano a energie molto più basse. In questo modo, i ricercatori possono isolare rapidamente qualsiasi interazione che si è verificata tra un nucleo e un protone.

Da queste interazioni, la squadra ha raccolto i frammenti nucleari residui, cercando boro-11, una configurazione di carbonio-12, meno un protone. Se un nucleo è iniziato come carbonio-12 e si è concluso come boro-11, potrebbe solo significare che ha incontrato un protone bersaglio in un modo che ha eliminato un singolo protone. Se il protone bersaglio ha eliminato più di un protone, sarebbe stato il risultato di effetti quantomeccanici all'interno del nucleo di difficile interpretazione. Il team ha isolato il boro-11 come una chiara firma e ha scartato qualsiasi accendino, frammenti quantisticamente influenzati.

Il team ha calcolato l'energia del protone espulso dal nucleo originale di carbonio-12, in base a ciascuna interazione che ha prodotto boro-11. Quando mettono le energie in un grafico, il modello si adattava esattamente alla distribuzione ben consolidata del carbonio-12:una convalida dell'invertito, approccio ad alta energia.

Hanno quindi trasformato la tecnica su coppie correlate a corto raggio, cercando di vedere se potevano ricostruire le rispettive energie di ciascuna particella in una coppia:informazioni fondamentali per comprendere in definitiva la dinamica nelle stelle di neutroni e in altri oggetti densi di neutroni.

Hanno ripetuto l'esperimento e questa volta hanno cercato il boro-10, una configurazione di carbonio-12, meno un protone e un neutrone. Qualsiasi rilevamento di boro-10 significherebbe che un nucleo di carbonio-12 ha interagito con un protone bersaglio, che ha eliminato un protone, e il suo partner vincolato, un neutrone. Gli scienziati potrebbero misurare le energie sia del bersaglio che dei protoni eliminati per calcolare l'energia del neutrone e l'energia della coppia SRC originale.

In tutto, i ricercatori hanno osservato 20 interazioni SRC e da queste hanno mappato la distribuzione delle energie SRC del carbonio-12, che si adattano bene agli esperimenti precedenti. I risultati suggeriscono che la cinematica inversa può essere utilizzata per caratterizzare le coppie SRC in nuclei più instabili e persino radioattivi con molti più neutroni.

"Quando tutto è invertito, questo significa che un raggio che attraversa potrebbe essere costituito da particelle instabili con una vita molto breve che vivono per un millisecondo, "dice Julian Kahlbow, un postdoc congiunto al MIT e all'Università di Tel-aviv e uno dei principali autori dell'articolo. "Quel millisecondo è sufficiente per crearlo, lascialo interagire, e lascialo andare. Quindi ora possiamo aggiungere sistematicamente più neutroni al sistema e vedere come si evolvono questi SRC, che ci aiuterà a informare cosa succede nelle stelle di neutroni, che hanno molti più neutroni di qualsiasi altra cosa nell'universo."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.