L'impressione di un artista mostra due sfere traslucide, che rappresentano nuclei di stagno, si scontrano e si frantumano in una pioggia di frammenti colorati. In mezzo a questi frammenti, che rappresentano i protoni, neutroni e loro ammassi, è un singolo pione, mostrato come un'altra sfera traslucida con due sfere più piccole, che rappresentano i quark, dentro. Credito:Erin O'Donnell/Facility for Rare Isotope Beams
Immagina di prendere tutta l'acqua del lago Michigan, più di un quadrilione di galloni, e di spremerla in un secchio da 4 galloni, del tipo che potresti trovare in un negozio di ferramenta.
Una rapida rassegna dei numeri suggerisce che questo dovrebbe essere impossibile:è troppa roba e non abbastanza spazio. Ma questa stravagante densità è una caratteristica distintiva degli oggetti celesti noti come stelle di neutroni. Queste stelle hanno solo circa 15 miglia di diametro, eppure mantengono più massa del nostro sole grazie a una fisica estrema.
Guidato da ricercatori della Michigan State University, una collaborazione internazionale ha ora emulato le condizioni cosmiche di una stella di neutroni sulla Terra per sondare meglio quella scienza estrema. Il team ha condiviso i suoi risultati sulla rivista Lettere di revisione fisica .
Per l'esperimento, il team ha selezionato lo stagno per aiutare a creare una densa zuppa nucleare ricca di neutroni, aiutandolo a imitare più da vicino l'ambiente delle stelle di neutroni. Il team ha accelerato un raggio fatto di nuclei di stagno a quasi due terzi della velocità della luce presso il RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science in Giappone. La ricerca è stata finanziata dall'Office of Nuclear Physics del Department of Energy Office of Science degli Stati Uniti, o DOE-SC, e il Ministero della Pubblica Istruzione, Cultura, Gli sport, Scienza e tecnologia:Giappone, o MEXT, Giappone.
I ricercatori hanno inviato quel raggio attraverso un sottile bersaglio di latta, o pellicola, per schiacciare insieme nuclei di stagno. I nuclei si frantumano e per un solo istante, un miliardesimo di trilionesimo di secondo, il relitto esiste come una regione super densa di blocchi nucleari chiamati protoni e neutroni. Anche se questo ambiente è fugace, vive abbastanza a lungo da creare particelle rare chiamate pioni (che si pronuncia "pie-ons"—il "pi" deriva dalla lettera greca π).
Creando e rilevando questi pioni, il team sta consentendo agli scienziati di rispondere meglio alle domande persistenti sulla scienza nucleare e sulle stelle di neutroni. Per esempio, questo lavoro può aiutare gli scienziati a caratterizzare meglio la pressione interna che impedisce alle stelle di neutroni di collassare sotto la loro stessa gravità e diventare buchi neri.
"L'esperimento che abbiamo fatto non può essere fatto altrove, tranne all'interno di stelle di neutroni, "ha detto Betty Tsang, professore di scienze nucleari e ricercatore presso il National Superconducting Cyclotron Laboratory, o NSCL, presso MSU.
Sfortunatamente, gli scienziati non possono aprire un negozio all'interno delle stelle di neutroni. A parte le temperature roventi e le schiaccianti forze gravitazionali, la stella di neutroni più vicina dista circa 400 anni luce.
C'è, però, un altro posto nell'universo dove gli scienziati possono osservare la materia imballata a una densità così incredibile. Cioè nei laboratori degli acceleratori di particelle, dove gli scienziati possono frantumare insieme i nuclei degli atomi, o nuclei, per spremere grandi quantità di materia nucleare in volumi molto piccoli.
Certo, neanche questa è una passeggiata.
"L'esperimento è molto difficile, " ha detto Tsang. "Ecco perché la squadra è così entusiasta di questo." Tsang e William Lynch, un professore di fisica nucleare nel Dipartimento di Fisica e Astronomia della MSU, guidare il contingente spartano di ricercatori del team internazionale.
Per realizzare i loro obiettivi collettivi in questo studio, gli istituti collaboratori hanno fatto leva ciascuno sui propri punti di forza.
"Ecco perché accumuliamo collaboratori, "Tsang ha detto. "Risolviamo i problemi espandendo il gruppo e invitando persone che sanno davvero cosa stanno facendo".
MSU, che ospita il programma di laurea in fisica nucleare di prim'ordine degli Stati Uniti, ha preso l'iniziativa di costruire il rilevatore di pioni. Lo strumento, chiamata Camera di proiezione temporale SπRIT, è stato costruito con i collaboratori della Texas A&M University e di RIKEN.
L'acceleratore di particelle RIKEN offriva la potenza ei rari nuclei di stagno ricchi di neutroni necessari per creare un ambiente che ricordasse una stella di neutroni. Ricercatori dell'Università Tecnica, Darmstadt, in Germania ha contribuito con gli obiettivi di stagno che dovevano soddisfare specifiche rigorose. Studenti, personale, e docenti di altre istituzioni in Asia e in Europa hanno aiutato a costruire l'esperimento e ad analizzare i dati.
Questo esperimento all'acceleratore di RIKEN ha contribuito a spingere questa comprensione a nuovi livelli in termini di energia e densità, ma ci sono molte altre sfide.
Quando l'impianto per i raggi di isotopi rari, o FRIB, è operativo nel 2022, anch'esso promette di essere un centro di collaborazione internazionale nel campo della scienza nucleare. E la struttura sarà attrezzata in modo unico per continuare a esplorare il comportamento dei sistemi nucleari a energie e densità estreme.
"Quando FRIB sarà online, ci darà più scelta di travi e ci permetterà di effettuare misurazioni molto più precise, " Ha detto Tsang. "E questo ci permetterà di capire meglio l'interno delle stelle di neutroni e scoprire cose che sono ancora più intriganti, più sorprendente."
