Ce se întâmplă când quarcurile interacționează cu gluonii în nuclee din ce în ce mai mari la energii relativiste? Experimente efectuate în Statele Unite la acceleratorul RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) arată că ciocnirile protonilor cu nuclee din ce în ce mai mari au caracteristici care demonstrează că interacțiunile dintre quarcuri și gluoni la un moment dat ar ajunge într-un regim de saturație, exact cum prevede teoria interacțiunii nucleare tari.
Din ce sunt compuse nucleele atomice?
Cu toții știm că materia este alcătuită din atomi. Atomii au o structura complexă, cu un nucleu dens și relativ mic, cu electroni distribuiți în jurul acestuia.
Nucleele atomilor sunt compuse din protoni și neutroni, care sunt legați între ei prin intermediul interacțiunii nucleare tari. Numărul de protoni dintr-un nucleu caracterizează un element chimic (acesta este egal cu numărul electronilor); numărul de neutroni poate să fie variabil – rezultând izotopii elementelor chimice. Dar protonii și neutronii din ce sunt alcătuiți?
Quarcuri și gluoni în „inima” protonilor și a neutronilor
Protonii și neutronii sunt alcătuiți din particule elementare denumite quarcuri; acestea sunt „legate” prin intermediul interacțiunii nucleare tari al cărei purtător este gluonul.
Gluonii au caracteristici speciale, având sarcină de culoare (spre deosebire de fotoni care nu au sarcină electrică). Acest fapt face ca interacțiunea nucleară puternică să aibă proprietăți deosebite: este cu atât mai intensă, cu cât particulele sunt mai departe una de alta (libertate asimptotică); teoria care descrie interacțiunea nucleară puternică este cromodinamica cuantică și este studiată intens, întrucât nu este încă pe deplin înțeleasă.
Noi rezultate de la RHIC
Un nou studiu al cărui rezultat a fost recent publicat în revista Physical Review Letters arată că interacțiunea între quarcuri și gluoni suferă un fenomen de saturație atunci când ciocnirile au loc la energii foarte mari (relativiste) și trecând de la nuclee ușoare la cele din ce în ce mai grele.
Practic, oamenii de știință au efectuat experimente constând în ciocniri ale protonilor cu alți protoni sau cu nuclee de aluminiu și aur la RHIC la Brookhaven National Laboratory.
Au ajuns la concluzia că numărul de particule așa-numite back-to-back (spate-în-spate) care se formează în urma interacțiunii (pioni cu sarcină electrică nulă) și care reprezintă un semnal al interacțiunii dintre un quark și un gluon din interiorul nucleului studiat, nu crește în mod proporțional cu masa nucleului – cu numărul presupus de gluoni.
Se manifestă un fenomen de saturație. Ceea ce înseamnă că gluonii – în nucleele mai grele – interacționează între ei, se recombină și nu mai dau naștere proceselor care au loc în interacțiunea proton-proton, în care un quark din proton vede și interacționează cu un gluon din celălalt proton.
Aceste procese complexe, în care gluonii interacționează între ei cu atât mai mult cu cât energia este mai mare și nucleele sunt mai grele, sunt prevăzute de cromodinamica cuantică. Acest studiu ne ajută să înțelegem mai bine această teorie.
Experimente la EIC
Pentru viitor, planurile sunt de a studia procese în care interacțiunea nu mai este între un quarc și un gluon, ci între un electron și un gluon.
Acest studiu este în programul cercetării științifice la viitoarea infrastructură EIC (Electron Ion Collider) care va fi construită la Brookhaven. La EIC se va încerca o confirmare a acestui fenomen de saturație, întrucât și interacțiunea dintre electroni și gluoni ar trebui să prezinte același fenomen.
Aceste studii contribuie la o mai bună înțelegere a interacțiunii nucleare tari, care stă la baza structurii nucleelor atomice.
