Credito:Jenny Nuss/Berkeley Lab
Il nucleo atomico è un luogo affollato. I suoi costituenti protoni e neutroni si scontrano occasionalmente e si separano brevemente con uno slancio elevato prima di riagganciarsi come le due estremità di un elastico teso. Utilizzando una nuova tecnica, i fisici che studiano queste collisioni energetiche nei nuclei leggeri hanno scoperto qualcosa di sorprendente:i protoni si scontrano con i loro compagni protoni e i neutroni con i loro compagni neutroni più spesso del previsto.
La scoperta è stata fatta da un team internazionale di scienziati che include ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia, utilizzando il Continuous Electron Beam Accelerator Facility presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) del DOE in Virginia. Lo riporta un articolo pubblicato oggi sulla rivista Nature .
La comprensione di queste collisioni è importante per interpretare i dati in un'ampia gamma di esperimenti di fisica che studiano le particelle elementari. Aiuterà anche i fisici a comprendere meglio la struttura delle stelle di neutroni:nuclei collassati di stelle giganti che sono tra le forme di materia più dense dell'universo.
John Arrington, uno scienziato del Berkeley Lab, è uno dei quattro portavoce della collaborazione e Shujie Li, l'autore principale del documento, è un postdoc del Berkeley Lab. Entrambi sono nella divisione di scienze nucleari del Berkeley Lab.
Protoni e neutroni, le particelle che compongono i nuclei atomici, sono chiamati collettivamente nucleoni. In esperimenti precedenti, i fisici hanno studiato le collisioni energetiche di due nucleoni in una manciata di nuclei che vanno dal carbonio (con 12 nucleoni) al piombo (con 208). I risultati sono stati coerenti:le collisioni protone-neutrone costituivano quasi il 95% di tutte le collisioni, mentre le collisioni protone-protone e neutrone-neutrone rappresentavano il restante 5%.
Il nuovo esperimento del Jefferson Lab ha studiato le collisioni in due "nuclei specchio" con tre nucleoni ciascuno e ha scoperto che le collisioni protone-protone e neutrone-neutrone erano responsabili di una quota molto maggiore del totale, circa il 20%. "Volevamo effettuare una misurazione significativamente più precisa, ma non ci aspettavamo che fosse drammaticamente diversa", ha affermato Arrington.
Usare una collisione per studiarne un'altra
I nuclei atomici sono spesso rappresentati come ammassi stretti di protoni e neutroni incollati insieme, ma in realtà questi nucleoni sono costantemente in orbita l'uno rispetto all'altro. "È come il sistema solare ma molto più affollato", ha detto Arrington. Nella maggior parte dei nuclei, i nucleoni trascorrono circa il 20% della loro vita in stati eccitati ad alta quantità di moto risultanti da collisioni di due nucleoni.
Per studiare queste collisioni, i fisici colpiscono i nuclei con fasci di elettroni ad alta energia. Misurando l'energia e l'angolo di rinculo di un elettrone disperso, possono dedurre la velocità con cui il nucleone colpito deve essersi mosso. "È come la differenza tra far rimbalzare una pallina da ping-pong su un parabrezza in movimento o su un parabrezza fermo", ha detto Arrington. Ciò consente loro di individuare eventi in cui un elettrone si è disperso da un protone ad alta quantità di moto che si è recentemente scontrato con un altro nucleone.
In queste collisioni elettrone-protone, l'elettrone in arrivo accumula energia sufficiente per far uscire del tutto il protone già eccitato dal nucleo. Questo interrompe l'interazione simile a un elastico che normalmente tiene a freno la coppia di nucleoni eccitati, quindi anche il secondo nucleone sfugge al nucleo.
In studi precedenti sulle collisioni tra due corpi, i fisici si sono concentrati sugli eventi di scattering in cui hanno rilevato l'elettrone in rimbalzo insieme a entrambi i nucleoni espulsi. Contrassegnando tutte le particelle, potrebbero calcolare il numero relativo di coppie protone-protone e coppie protone-neutrone. Ma tali eventi di "tripla coincidenza" sono relativamente rari e l'analisi ha richiesto un'attenta considerazione per ulteriori interazioni tra nucleoni che potrebbero distorcere il conteggio.
I nuclei specchio aumentano la precisione
Gli autori del nuovo lavoro hanno trovato un modo per stabilire il numero relativo di coppie protone-protone e protone-neutrone senza rilevare i nucleoni espulsi. Il trucco era misurare lo scattering da due "nuclei specchio" con lo stesso numero di nucleoni:il trizio, un raro isotopo dell'idrogeno con un solo protone e due neutroni, e l'elio-3, che ha due protoni e un singolo neutrone. L'elio-3 assomiglia al trizio con protoni e neutroni scambiati e questa simmetria ha consentito ai fisici di distinguere le collisioni che coinvolgono protoni da quelle che coinvolgono neutroni confrontando i loro due set di dati.
Lo sforzo del nucleo dello specchio è iniziato dopo che i fisici del Jefferson Lab hanno pianificato lo sviluppo di una cella a gas al trizio per esperimenti di diffusione degli elettroni, il primo uso del genere di questo isotopo raro e capriccioso da decenni. Arrington e i suoi collaboratori hanno visto un'opportunità unica per studiare le collisioni di due corpi all'interno del nucleo in un modo nuovo.
Il nuovo esperimento è stato in grado di raccogliere molti più dati rispetto agli esperimenti precedenti perché l'analisi non ha richiesto rari eventi di tripla coincidenza. Ciò ha consentito al team di migliorare la precisione delle misurazioni precedenti di un fattore dieci. Non avevano motivo di aspettarsi che le collisioni di due nucleoni avrebbero funzionato in modo diverso nel trizio e nell'elio-3 rispetto ai nuclei più pesanti, quindi i risultati sono stati una vera sorpresa.
I misteri della forza forte rimangono
La forza nucleare forte è ben compresa al livello più fondamentale, dove governa le particelle subatomiche chiamate quark e gluoni. Ma nonostante queste solide basi, le interazioni di particelle composite come i nucleoni sono molto difficili da calcolare. Questi dettagli sono importanti per analizzare i dati in esperimenti ad alta energia che studiano quark, gluoni e altre particelle elementari come i neutrini. Sono anche rilevanti per il modo in cui i nucleoni interagiscono nelle condizioni estreme che prevalgono nelle stelle di neutroni.
Arrington ha un'ipotesi su cosa potrebbe succedere. Il processo di diffusione dominante all'interno dei nuclei avviene solo per le coppie protone-neutrone. Ma l'importanza di questo processo rispetto ad altri tipi di scattering che non distinguono i protoni dai neutroni può dipendere dalla separazione media tra i nucleoni, che tende ad essere maggiore nei nuclei leggeri come l'elio-3 rispetto ai nuclei più pesanti.
Saranno necessarie ulteriori misurazioni utilizzando altri nuclei leggeri per verificare questa ipotesi. "È chiaro che l'elio-3 è diverso dalla manciata di nuclei pesanti che sono stati misurati", ha detto Arrington. "Ora vogliamo spingere per misurazioni più precise su altri nuclei leggeri per ottenere una risposta definitiva". + Esplora ulteriormente
