Un grup de cercetatori din care face parte si autoarea acestui articol a descoperit o noua forma de materie „stranie” in cadrul unui experiment efectuat la acceleratorul J-PARC in Japonia. Aceasta descoperire ne va ajuta sa intelegem mai bine originea masei imediat dupa Big Bang si inima stelelor de neutroni.

Materia normala este formata din atomi, care contin un nucleu in care se afla protoni si neutroni, in jurul caruia orbiteaza electroni. In nucleele atomilor protonii si neutronii se leaga prin interactiunea nucleara puternica, iar in fiecare neutron si proton se gasesc trei quarci de tipul up si down, cuarci care apartin asa-numitei prime familii de particule din cadrul Modelului Standard al fizicii particulelor elementare. In Modelul Standard insa se gasesc alte doua familii de particule, deci si de cuarci. Printre acesti cuarci cei numiti „stranii” ar putea juca un rol important in evolutiei Universului si in existenta materiei in conditii deosebite de densitate, precum cea din interiorul unei stele de neutroni.

Intr-o astfel de stea densitatea este atat de mare incat intr-un degetar ar intra intreaga populatie a globului! Cum arata materia in aceste conditii extreme? Pe langa neutroni, s-ar putea gasi alte tipuri de materie? O posibilitate ar fi materie cu cuarci  stranii – care, conform anumitor teorii, ar putea sa fie mai stabila la densitati enorme.

Iata ca recent in cadrul unui experiment efectuat de catre colaborarea internationala E15, din care face parte si un grup condus de catre autoarea articolului, a fost descoperita o noua forma de materie care contine cuarci stranii si are o energie de legatura mai mare decat materia nucleara normala.

Experimentul a fost efectuat la acceleratorul J-PARC in Japonia, unde un fascicul intens de kaoni a interactionat cu o tinta de heliu 3. Kaonii fac parte din categoria mezonilor – adica particule formate dintr-un cuarc si un anticuarc – in cazul kaonilor cu sarcina electrica negativa precum cei utilizati de catre E15 acestia sunt alcatuiti dintr-un cuarc straniu si un anticuarc „up”. Heliul 3 este un izotop al heliului care contine in nucleu doi protoni si un neutron.

In urma interactiunii kaonilor cu nucleele de heliu 3 a fost observata formarea unui sistem legat al kaonului cu doi protoni, cu o energie de legatura mai mare decat cea nucleara „normala”. Daca intr-un nucleu normal energia de legatura a unui nucleon este de cativa MeV (MeV inseamna un milion de eV – eV fiind energia capatata de un electron accelerat intr-o diferenta de potential de 1V), in noua forma de materie stranie observata energia de legatura pe nucleon este de circa 25 de MeV – ceea ce ar putea duce la formarea unei materii nucleare mai dense decat cea normala – un fel de prototip de laborator al unei stele de neutroni. Rezultatul acestui experiment a fost publicat recent in revista Physics Letters B.

Acest rezultat este extrem de util si pentru a intelege cum ia nastere masa particulelor dupa Big Bang, in mod specific masa nucleonilor si a nucleelor usoare care s-au format atunci.

Aparatul E15 este complex si contine o serie de detectoare care masoara particule precum pioni, protoni sau neutroni. Aceste detectoare pe langa a fi utilizate in experimentele de fizica nucleara, precum E15, sunt utilizate si in medicina sau industrie.

De la inima stelelor la studiul starii de sanatate a inimii noastre.

In viitorul apropiat colaborarea E15 intetioneaza sa perfectioneze aparatul de masura, cu un nou detector de neutroni si mai performant, si sa studieze procese de interactiune a kaonilor nu doar cu heliul 3 ci si cu alte tipuri de tinte nucleare, pentru a confirma rezultatul masuratorii de care v-am relatat si a studia cum evolueaza energia de legatura in functie de numarul de nucleoni.

 

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