Heliul kaonic este un atom exotic, în care kaonii înlocuiesc electronii. Studiul acestui atom este important, întrucât ajută la înțelegerea interacțiunii nucleare tari. În cadrul unui experiment efectuat în Japonia s-a reușit cea mai precisă măsurătoare din lume a heliului kaonic.
Atomii exotici
Cu toții știm că atomii sunt alcătuiți dintr-un nucleu care conține protoni și neutroni, în jurul căruia orbitează electroni. Numărul protonilor (egal cu cel al electronilor) ne spune despre ce element chimic este vorba. Se pot însă genera și studia așa-numiții atomi exotici, în care electronii sunt înlocuiți cu alte particule cu sarcina electrică negativă care sunt cuplate la nucleu prin interacțiunea electromagnetică.
Pot fi generați atomi exotici, de exemplu, la acceleratoarele de particule, cei de tip miuonic, în care un miuon (masa de circa 200 de ori mai mare ca a electronului) înlocuiește electronul.
Pot exista și sunt studiați atomi exotici în care antiprotonii (antimateria protonului) înlocuiesc electronii - atomi kaonici.
Atomii kaonici
Atomii kaonici sunt o categorie specială a atomilor exotici, întrucât particula care înlocuiește electronul conține quarcul straniu.
Kaonii sunt particule din categoria mezonilor și sunt compuși dintr-un quarc și un antiquarc. Quarcul este de tip „straniu” și anti-quarcul de tip „anti-up”.
Studiul acestor atomi este important, întrucât ne oferă informații despre interacțiunea nucleară tare, dintre quarcurile din kaoni (printre care cel straniu) și cei din nucleu.
Cum obținem această informație? Măsurând radiația emisă atunci când atomii kaonici care se formează într-o stare excitată atunci când kaonii înlocuiesc electronii fac tranziții atomice pe nivele joase (1s sau 2p), emițând fotoni (sub formă de raze X).
Prin măsurătoarea acestor raze X obținem informații despre energia nivelurilor atomilor exotici care depinde pentru nivelurile joase atât de interacțiunea electromagnetică (care este foarte binecunoscută), cât și de cea nucleară tare, care nu este atât de bine cunoscută și pe care o măsurăm scăzând din energia măsurată pe cea asociată interacțiunii electromagnetice.
→ Citește și: Modelul standard al particulelor elementare
Unde măsurăm atomii kaonici?
Autoarea articolului face parte din două experimente, unicele din lume, care măsoară atomii kaonici. Aceste măsurători sunt efectuate la acceleratoare de particule care emit kaoni: DAFNE în Italia (Frascati) și J-PARC în Japonia. Kaonii din Japonia au fost folosiți în experimentul E62 la J-PARC, care a efectuat cea mai precisă măsurătoare din lume a heliului kaonic.
E62 și heliul kaonic
Într-un articol publicat recent în Phys. Rev Letters prezentăm rezultatul pe care l-am obținut în Japonia la J-PARC în cadrul experimentului E62, în care am măsurat raze X emise de atomii kaonici de heliu3 și heliu4 (doi izotopi ai heliului).
Pentru această măsurătoare am folosit detectoare de raze X de mare precizie, așa-numite detectoare TES (Transition Edge Sensors), care funcționează având la bază tranziția dintre o stare superconductoare într-una normală când trece o particulă prin detector, procesul permițând măsurarea energiei particulei cu precizie foarte mare.
Folosind fasciculul de kaoni de la acceleratorul J-PARC Hadron Hall și ținte de heliu lichid am generat și măsurat razele X emise de atomii kaonici în tranziții pe nivelul 2p. Măsurătoarea a fost făcută cu o precizie extremă: mai puțin de 1 eV (pentru energii de circa 6000 eV). Este cea mai precisă măsurătoare din lume, foarte importantă pentru studiul interacțiunii nucleare tari.
Care este importanța studiului?
Rezultatul experimentului E62 este important atât pentru înțelegerea modului în care interacționează quarcurile între ele, cât și pentru studiul stelelor de neutroni, care ar putea să aibă quarcuri strange în interior. Studiile de atomi kaonici vor continua atât în Italia, în cadrul proiectului de cercetare SIDDHARTA-2, cât și în Japonia în cadrul unor noi proiecte.
Suntem un pas mai aproape de înțelegerea acestei interacțiuni nucleare tari, care este extrem de complexă.
Credit imagine: oeaw.ac.at
— • • • —
Pentru a vedea tabloul complet al modelului standard al particulelor elementare, puteţi descărca posterul particulelor fundamentale realizat de Scientia (lb.română) de AICI
