Studiul atomilor exotici este foarte important pentru a înțelege interacțiunea nucleară puternică; în acest context experimentul SIDDHARTA-2 la acceleratorul DAFNE de la Frascati are un obiectiv ambițios: prima măsurătoare din lume a deuteriului kaonic – un atom în care electronii sunt înlocuiți de așa-numiții kaoni, care conțin cuarcul „strange”.

De ani de zile cu grupul pe care îl conduc la laboratorul italian de la Frascati (INFN-LNF) ne pregătim să facem prima măsurătoare din lume a razelor X emise de atomi exotici (deuteriul kaonic) pentru a înțelege mai bine interacțiunea nucleară puternică în sisteme care conțin cuarci stranii. Colaborarea este între grupuri din lumea întreagă – Italia, România, Austria, Croația, Polonia, Japonia, Germania, Spania, și, recent, un coleg din Ucraina, cu finanțare de la institute și universități din lumea întreagă dar și de la proiectul european STRONG-2020 (GA 824093). Lucrăm împreună, suntem că o familie și cred că suntem și un exemplu cum se poate colabora cu obiective comune – cele de a înțelege legile Universului.

 Atomii exotici

 Atomii exotici sunt acei atomi în care electronii sunt înlocuiți de particule cu sarcina electrică negativă capturate în orbită în jurul nucleului și menținute acolo de interacțiunea electromagnetica. Dintre atomii exotici far parte: atomi muonici – în care un muon cu sarcina negativă inlocuieste electronul; atomi antiprotonici – în care în locul electronilor găsim antiprotoni, sau atomii kaonici. Aceștia din urmă sunt cei pe care îi studiem în experimente atât la Frascati la acceleratorul DAFNE cât și în Japonia la J-PARC.

Atomii kaonici, SIDDHARTA-2 și DAFNE

 Atomii kaonici sunt extrem de interesanți de studiat. În acest caz electronii sunt înlocuiți de kaoni – particule care fac parte din așa-numita clasă a mezonilor, alcătuiți dintr-un cuarc și  un anticuarc. În cazul kaonilor cu sarcina electrică negativă cuarcul este „strange” și anticuarcul de tip anti-up. Kaonii sunt generați la acceleratorul DAFNE de la Frascati, în urma coliziunilor între electroni și pozitroni (antiparticula electronului). În aceste coliziuni electronii se anihilează cu pozitronii generând particula așa-numită phi care însă se dezintegrează aproape instantaneu, cu o probabilitate de circa 50%, într-o pereche: kaon cu sarcina negativă – kaon cu sarcina pozitivă. Kaonii cu sarcina negativă sunt folosiți de experimentul SIDDHARTA-2 care îi oprește într-o țintă de deuteriu (izotopul mai greu al hidrogenului, cu un nucleu compus dintr-un proton și un neutron). Kaonii sunt capturați formând atomul exotic de deuteriu kaonic într-o stare excitată; urmează o cascadă atomică, în urmă căreia kaonii ajung pe nivelul fundamental, unde sunt atât de aproape de nucleu încât intervine pe lângă interacțiunea electromagnetică și cea nucleară puternică dintre kaon și nucleu. Măsurând razele X emise în dezexcitarea atomului putem obține informații asupra interacțiunii nucleare – cât e de intensă? Atractivă sau repulsivă? Pentru a face acest lucru SIDDHARTA-2 folosește detectoare de raze X de siliciu speciale (SDD) dar și o serie de alte detectoare care ajută la curățirea semnalului (veto și trigger).

 Ce face SIDDHARTA-2 acum?

La ora actuală experimentul este în faza avansată de instalare la accelerator, urmând că din luna martie să înceapă delicatq măsurătoare care va dura până în 2023.

Între timp pregătim alte măsurători de atomi kaonici mai grei – cum ar fi plumbul kaonic cu detectoare de germaniu.

Importanța acestor măsurători se extinde de la fizică particulelor elementare și cea nucleară la astrofizică: mai precis stelele de neutroni, care ar putea conține în interior cuarci de tip „strange” – măsurătoarea noastră ajută la înțelegerea interacțiunii dintre aceștia și materia „normală”.

Cu gândul la colegii din Ucraina și la toți ucrainenii!

In fotografie: Florin Sirghi coordinatorul tehnic al experimentului SIDDHARTA-2

Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare și al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisică Nucleare (Roma, Italia) și colaborator al Scientia.ro