Schemă a experimentului

Un grup de cercetători din care face parte şi autoarea acestui articol a descoperit o nouă formă de materie „stranie” în cadrul unui experiment efectuat la acceleratorul J-PARC în Japonia. Această descoperire ne va ajuta să înţelegem mai bine originea masei imediat după Big Bang şi  din centrul stelelor neutronice.

Materia normală este formată din atomi, care conţin un nucleu în care se afla protoni şi neutroni, în jurul căruia orbitează electroni. În nucleele atomilor protonii şi neutronii se leagă prin interacţiunea nucleară tare, iar în fiecare neutron şi proton se găsesc trei quarcuri de tipul up şi down, quarcuri care aparţin aşa-numitei prime familii de particule din cadrul modelului standard al fizicii particulelor elementare.

În modelul standard însă se găsesc alte două familii de particule, deci şi de quarcuri. Printre aceste quarcuri, cei numiţi „stranii” ar putea juca un rol important în evoluţia universului şi în existenţa materiei în condiţii deosebite de densitate, precum cea din interiorul unei stele de neutroni.

Într-o astfel de stea densitatea este atât de mare, încât într-un degetar ar intra întreaga populaţie a globului! Cum arată materia în aceste condiţii extreme? Pe lângă neutroni, s-ar putea găsi alte tipuri de materie? O posibilitate ar fi materie cu quarcuri stranii – care, conform anumitor teorii, ar putea să fie mai stabilă la densităţi enorme.

Iată că recent în cadrul unui experiment efectuat în cadrul proiectului de cooperare internaţională E15, din care face parte şi un grup condus de autoarea articolului, a fost descoperită o nouă formă de materie care conţine quarcuri stranii şi are o energie de legătură mai mare decât materia nucleară normală.

Experimentul a fost efectuat la acceleratorul J-PARC în Japonia, unde un fascicul intens de kaoni a interacţionat cu o ţintă de heliu 3. Kaonii fac parte din categoria mezonilor – adică particule formate dintr-un quarc şi un antiquarc; în cazul kaonilor cu sarcina electrică negativă precum cei utilizaţi de către E15, aceştia sunt alcătuiţi dintr-un quarc straniu şi un antiquarc „up”. Heliul 3 este un izotop al heliului care conţine în nucleu doi protoni şi un neutron.

În urma interacţiunii kaonilor cu nucleele de heliu 3 a fost observată formarea unui sistem legat al kaonului cu doi protoni, cu o energie de legătură mai mare decât cea nucleară „normală”. Dacă într-un nucleu normal energia de legătură a unui nucleon este de câţiva MeV (MeV înseamnă un milion de eV – eV fiind energia căpătată de un electron accelerat într-o diferenţă de potenţial de 1V), în noua formă de materie stranie observată, energia de legătură pe nucleon este de circa 25 de MeV – ceea ce ar putea duce la formarea unei materii nucleare mai dense decât cea normală – un fel de prototip de laborator al unei stele de neutroni. Rezultatul acestui experiment a fost publicat recent în revista Physics Letters B.

Acest rezultat este extrem de util şi pentru a înţelege cum ia naştere masa particulelor după Big Bang, în mod special masa nucleonilor şi a nucleelor uşoare care s-au format atunci.

Aparatul E15 este complex şi conţine o serie de detectoare care măsoară particule precum pioni, protoni sau neutroni. Aceste detectoare, pe lângă utilizarea din fizica nucleară, precum E15, sunt utilizate şi în medicină sau industrie.

De la inima stelelor la studiul stării de sănătate a inimii noastre.

În viitorul apropiat în cadrul E15 se intenţionează să se perfecţioneze aparatul de măsură cu un nou detector de neutroni şi mai performant şi să se studieze procese de interacţiune a kaonilor nu doar cu heliul 3, ci şi cu alte tipuri de ţinte nucleare, pentru a confirma rezultatul măsurătorii de care v-am relatat şi a studia cum evoluează energia de legătură în funcţie de numărul de nucleoni.