Un team del cluster di eccellenza PRISMA+ presso l'Università Johannes Gutenberg di Magonza è riuscito a calcolare il comportamento dei nuclei atomici dell'elemento Calcio nelle collisioni con gli elettroni. I risultati concordano molto bene con i dati sperimentali disponibili. Per la prima volta, un calcolo basato su una teoria fondamentale è in grado di descrivere correttamente esperimenti per un nucleo pesante come il Calcio. Di particolare rilevanza è il potenziale che tali calcoli potrebbero avere in futuro per interpretare gli esperimenti sui neutrini. Il famoso giornale Lettere di revisione fisica relazioni sul traguardo raggiunto nel suo volume attuale.

La nuova pubblicazione nasce dal gruppo guidato dalla Prof.ssa Sonia Bacca, Professore di fisica nucleare teorica nel cluster di eccellenza PRISMA+, in collaborazione con l'Oak Ridge National Laboratory. Bacca lavora con grande successo nel predire varie proprietà dei nuclei atomici derivandole dalle interazioni tra i loro costituenti, i nucleoni, che possono essere descritte all'interno della teoria del campo efficace chirale. La sua ricerca mira a fornire una solida connessione tra le osservazioni sperimentali e la teoria sottostante della cromodinamica quantistica. In fisica, tale procedura è descritta come un calcolo ab initio.

Anche sezioni trasversali di nuclei atomici sondati da campi esterni, ad esempio attraverso l'interazione con elettroni o altre particelle, possono essere descritti all'interno della stessa teoria. Questa procedura è la chiave per spiegare i dati esistenti e interpretare gli esperimenti futuri, per esempio nella fisica dei neutrini, un obiettivo importante del programma di ricerca PRISMA+.

Capire i neutrini

I neutrini sono particelle sfuggenti che penetrano costantemente nella nostra Terra ma sono molto difficili da rilevare e comprendere. Con nuovi esperimenti pianificati, come l'esperimento DUNE negli Stati Uniti, gli scienziati vogliono indagare sulle loro proprietà fondamentali, Per esempio, il fenomeno per cui un tipo di neutrini si trasforma in un altro, detto in gergo tecnico, oscillazione del neutrino. Per ottenere ciò, hanno bisogno di informazioni importanti da calcoli teorici. Nello specifico, la domanda rilevante è:come interagiscono i neutrini con i nuclei atomici nel rivelatore?

Poiché i dati sperimentali sulla diffusione dei neutrini sui nuclei atomici sono rari, il team di ricercatori ha prima esaminato la diffusione di un altro leptone, l'elettrone, per il quale sono disponibili dati sperimentali. "Calcium 40 è il nostro sistema di test, per così dire, " spiega la dott.ssa Joanna Sobczyk, postdoc a Mainz e primo autore dello studio. "Con il nostro nuovo metodo ab initio siamo stati in grado di calcolare in modo molto preciso cosa succede con la diffusione degli elettroni e come si comporta il nucleo atomico di calcio".

Questo è un grande successo:fino ad ora non era possibile eseguire tali calcoli per un elemento pesante come il calcio, che consiste di 40 nucleoni. "Siamo molto lieti di essere riusciti a dimostrare sostanzialmente che il nostro metodo funziona in modo affidabile, "dice Sonia Bacca. "Ora inizia una nuova era, dove i metodi ab initio possono essere usati per descrivere la diffusione dei leptoni - questi includono elettroni e neutrini - sui nuclei, anche per 40 nucleoni."

"Una delle caratteristiche più interessanti del nostro approccio è che ci consente di quantificare rigorosamente le incertezze associate al nostro calcolo. La quantificazione dell'incertezza richiede molto tempo, ma estremamente importante per poter confrontare adeguatamente la teoria con l'esperimento, " commenta il dottor Bijaya Acharya, PRISMA+ postdoc e anche coautore dello studio.

Dopo essere stati in grado di mostrare le potenzialità del loro metodo per il Calcio, il team di ricerca vuole esaminare l'elemento Argon e la sua interazione con i neutrini in futuro. L'argon svolgerà un ruolo importante come bersaglio nell'esperimento DUNE pianificato.