Nucleele atomilor sunt formate din protoni şi neutron. Aceştia au mase extreme de apropiate, totuşi neutronii sunt puţin mai masivi decât protonii.
Această diferenţa este extrem de importantă pentru evoluţia Universului şi a jucat un rol fundamental în naşterea stelelor care au generat într-un final atomii din care suntem făcuţi chiar noi. Cercetătorii încearcă să înţeleagă care este originea acestei mici diferenţe.
O mică diferenţa care însă joacă un rol deosebit de important în evoluţia Universului: este vorba despre diferenţa între masă neutronilor şi cea a protonilor. Neutronii şi protonii alcătuiesc nucleele atomilor; nucleul unui atom de hidrogen este alcătuit dintr-un singur proton; cel al unui atom de carbon conţine 6 protoni şi 6 neutroni, şi aşa mai departe pentru toate cele mai bine de 110 elemente chimice cunoscute. Circa 938,3 MeV este masă protonului, şi 939,6 MeV masă neutronului. O diferenţa infimă! Această diferenţa însă a jucat un rol determinant în istoria şi evoluţia Universului. Tocmai din cauza acestei diferenţe neutronii liberi se dezintegrează în protoni, electroni şi antineutrini (electronici), având o durata de viaţă de aproximativ 15 minute. Protonii sunt stabili (chiar dacă exită teorii post Modelul Standard care susţin că inclusiv protonii s-ar putea dezintegra; nu există însă evidente experimentale cum că aşa ceva ar fi posibil). Ei bine, dacă diferenţa dintre cele două mase ar fi fost cu doar 0.05% mai mică, s-a calculat cum că imediat după Big Bang ar fi fost produs, în urmă nucleosintezei, mai mult heliu-4, lăsând mai puţin hidrogen. Acest lucru ar fi avut drept consecinţă dificultatea „aprinderii” stelelor, întrucât acestea funcţionează pe baza reacţiilor de fuziune nucleară, care la rândul ei, porneşte de la hidrogen în stelele pe care le cunoaştem. Istoria evoluţiei Universului ar fi fost cu totul altă!
Cum toţi atomii din care suntem alcătuiţi noi (mai grei decât heliul) au luat naştere în stele în urmă proceselor nucleare, este evident că inclusiv noi am fi avut mai puţine şanse să vedem lumina Soarelui. De unde însă provine această diferenţa de masă între protoni şi neutroni? Cum a luat naştere? La această întrebare au încercat să dea un răspuns mulţi cercetători de-a lungul anilor. La ora actuală ştim că atât neutronii cât şi protonii sunt compuşi din cuarci: doi cuarci de tip „up” şi unul de tip „down” în cazul protonilor şi doi cuarci „down” şi unul „up” pentru neutroni.
Efectuarea calculelor masei protonilor şi a neutronilor este însă extrem de dificilă, întrucât trebuie ţinut cont, pe de o parte, de interacţiunile de tip electromagnetic între cuarci (aceştia au sarcini electrice) iar pe de altă parte şi de interacţiunea de natură nucleară tare între cuarci (cuarcii schimbă între ei gluoni).
Teoria care studiază interacţiunea tare între cuarci, QCD, este încă misterioasă; nu am reuşit să avem o descriere completă a teoriei la energii joase, precum cele între cuarcii dintre protoni şi neutroni. În acest regim de energii, numit regim neperturbativ, dezvoltarea metodelor de calcul este extrem de anevoioasă. Această este consecinţă faptului că gluonii (mediatorii interacţiunii ţări), spre deosebire de fotoni (mediatorii interacţiunii electromagnetice), interacţionează între ei, ceea ce complică totul extrem de mult.
Iată însă că recent un grup de cercetători condus de Szabolcs Borsanyi de la Universitatea Wuppertal a reuşit pentru prima dată să calculeze, pornind de la teoriile microscopice, diferenţa de masă între protoni şi neutroni şi să obţină un rezultat extrem de apropiat de cel real. Rezultatele acestui studiu au fost publicate în prestigioasă revista „Science”. Cercetătorii au demonstrat ce la baza diferenţei de masă stă jocul dintre interacţiunea electromagnetica şi cea tare – rezultatul combinat al celor două tipuri de interacţiuni duce în final la o infimă diferenţa care are însă un rol enorm. S-ar putea spune în această situaţie „o mică diferenţa pentru particule o diferenţa enormă pentru Univers”. Şi pentru noi.
Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi colaborator al Scientia.ro
Recomandările noastre
