Cea mai mare parte a materiei obisnuite este deținută împreună de un lipici subatomic invizibil, cunoscut sub numele de forta nucleara puternica – una dintre cele patru forte fundamentale din natura, impreuna cu gravitatia, electromagnetismul si forta slaba. Forta nucleara puternica este responsabila de impingerea si tragerea dintre protoni si neutroni in nucleul unui atom, proces care impiedica un atom sa se descompuna in sine.
In nucleele atomice, majoritatea protonilor si neutronilor sunt la o distanta suficienta, astfel incat fizicienii pot prezice cu exactitate interactiunile lor. Totusi, aceste predictii sunt contestate atunci cand particulele subatomice sunt atat de aproape incat practic sunt una peste alta.
In timp ce astfel de interactiuni la distanta ultra-scurta sunt rare in majoritatea materiei de pe Pamant, ele definesc nucleii stelelor neutronice si ale altor obiecte astrofizice extrem de dense. De cand oamenii de stiinta au inceput sa exploreze fizica nucleara, acestia s-au straduit sa explice modul in care forta nucleara puternica se dezvolta la asemenea distante ultrascurte.
Acum, fizicienii de la MIT si din alte parti au caracterizat pentru prima data forta nucleara puternica si interactiunile dintre protoni si neutroni, la distante extrem de scurte.
Ei au efectuat o analiza extinsa a datelor privind experimentele anterioare ale acceleratorului de particule si au descoperit ca, pe masura ce distanta dintre protoni si neutroni devine mai scurta, are loc o tranzitie surprinzatoare in interactiunile lor. La distante mari, forta nucleara puternica actioneaza in primul rand pentru a atrage un proton catre un neutron, la distante foarte scurte, forta devine esential nonselective: interactiunile pot aparea nu doar pentru a atrage un proton catre un neutron, ci si pentru a se respinge sau a separa perechi de neutroni.
„Aceasta este prima analiza foarte detaliata asupra a ceea ce se intampla cu forta nucleara puternica la distante foarte scurte”, spune Or Hen, profesor asistent de fizician la MIT. „Acest lucru are implicatii uriase, in primul rand pentru stelele neutronice si, de asemenea, pentru intelegerea sistemelor nucleare in ansamblu, ca intreg.”
Hen si colegii sai si-au publicat rezultatele in revista Nature. Printre coautorii sai se numara primul autor Axel Schmidt, Doctor in filosofie ’16, fost student absolvent si cercetator postdoctoral, masterandul Jackson Pybus, studentul in invatamantul preuniversitar si alti colegi din cadrul MIT, Universitatea ebraica, Universitatea Tel-Aviv, Universitatea Old Dominionv si membri ai CLAS Collaboration, un grup multi-institutional de oameni de stiinta experti in CEBAF Large Accelerator Spectrometer (CLAS), un accelerator de particule de la Jefferson Laboratory din Newport News, Virginia.
Instantanee
Interactiunile pe distante ultra-scurte intre protoni si neutroni sunt rare in majoritatea nucleilor atomici. Detectarea lor necesita lovirea repetata a atomilor cu un numar foarte mare de electroni cu o energie extrem de mare; din acesti electroni, unii ar putea elimina o pereche de nucleoni (protoni sau neutroni) care se misca cu o putere mare – un indiciu ca particulele trebuie sa interactioneze la distante extrem de scurte.
„Pentru a face aceste experimente, aveti nevoie de acceleratoare de particule cu curent ridicat”, spune Hen. „De curand avem capacitatea detectorului si intelegem suficient de bine procesele pentru a face acest tip de lucrari.”
Hen si colegii sai au analizat interactiunile prin extragerea datelor colectate anterior de CLAS, un detector de particule de dimensiuni mari de la Laboratorul Jefferson; acceleratorul JLab produce fascicule de electroni cu o intensitate si o energie fara precedent. Detectorul CLAS a fost operational din 1988 pana in 2012, iar rezultatele acestor experimente au fost disponibile de atunci pentru a-i ajuta pe cercetatori sa analizeze alte fenomene ascunse in date.
In noul lor studiu, cercetatorii au analizat o multime de date, care se rezuma la un cvadrilion de electroni care lovesc nuclei atomici din detectorul CLAS. Fasciculul de electroni a avut ca scop folii din carbon, plumb, aluminiu si fier, fiecare cu atomi de raporturi variate de protoni si neutroni. Cand un electron se ciocneste cu un proton sau neutron intr-un atom, energia cu vcare se raspandeste este proportionala cu energia si impulsul nucleonului corespunzător.
„Daca stiu cat de tare am lovit ceva si cat de repede a iesit, pot reconstrui impulsul initial al lucrului care a fost lovit”, explica Hen.
Cu aceasta abordare generala, echipa a analizat coliziunile cvadrilionului de electroni si a reusit sa izoleze si sa calculeze puterea a cateva sute de perechi de nucleoni cu impuls mare. Hen aseamana aceste perechi cu „picaturi de stele neutronice”, intrucat puterea si distanta dedusa dintre ele este similara conditiilor extrem de dense din miezul unei stele neutronice.
Ei au tratat fiecare pereche izolata ca pe o „captura” / instantaneu si au organizat cateva sute de instantanee de-a lungul unei distributii de moment. Spre finalul acestei distributii, au observat o suprimare a perechilor de protoni-protoni, ceea ce indica faptul ca forta nucleara puternica actioneaza in mare parte pentru a atrage protoni catre neutroni la o putere intermediara si pe distante scurte.
De-a lungul distributiei, au observat o tranzitie: pareau sa existe mai multe perechi de protoni-protoni si, prin simetrie, perechi neutron-neutron, fapt care sugereaza ca, la o putere mai mare sau la distante din ce in ce mai scurte, forta nucleara puternica actioneaza nu doar asupra protonilor si neutroni, dar si pe protoni si protoni si neutroni si neutroni. Se intelege ca aceasta forta de imperechere are caracter repulsiv, ceea ce inseamna ca, la distante scurte, neutronii interactioneaza respingandu-se puternic unul pe celalalt.
„Aceasta idee de nucleu repulsiv in forta nucleara puternica face obiectul multor dezbateri, precum acest lucru mitic care exista, dar nu stim cum sa il intelegem, ca acest portal din alt taram”, spune Schmidt. „Si acum avem date conform carora aceasta tranzitie este evidenta, iar acest lucru a fost cu adevarat surprinzator.”
Cercetatorii considera ca aceasta tranzitie din forta nucleara puternica poate ajuta la definirea mai buna a structurii unei stele neutronice. Hen a gasit anterior dovezi ca in miezul exterior al stelelor neutronice neutronii se imperecheaza in cea mai mare parte cu protonii prin atractia puternica. Cu noul lor studiu, cercetatorii au gasit dovezi ca, atunci cand particulele sunt impachetate in configuratii mult mai dense si separate de distante mai scurte, forta nucleara puternica creeaza o forta repulsivă intre neutroni care, la miezul unei stele cu neutroni, are rolul de a impiedica steaua sa se descompuna in ea insasi.
O multitudine quarkuri (cuarcuri)
Echipa a facut doua descoperiri suplimentare. Prima, observatiile lor se potrivesc cu previziunile unui model surprinzător de simplu care descrie formarea corelatiilor pe distante scurte datorate fortei nucleare puternice. A doua, contrar asteptarilor, miezul unei stele neutronice poate fi descris strict prin interactiunile dintre protoni si neutroni, fara a fi necesar sa se explice in mod detaliat interactiuni mai complexe intre quark-uri si gluoni care alcatuiesc nucleonii individuali.
Cand cercetatorii si-au comparat observatiile cu mai multe modele existente ale fortei nucleare puternice, au identificat o potrivire remarcabila cu predictiile de la Argonne V18, un model dezvoltat de un grup de cercetare de la Laboratorul National Argonne, care a examinat 18 moduri diferite de interactiune a nucleonilor, deoarece acestia sunt separati prin distante din ce in ce mai scurte.
Acest lucru inseamna ca, daca oamenii de stiinta doresc sa calculeze proprietatile unei stele cu neutroni, Hen spune ca pot folosi acest model particular Argonne V18 pentru a estima cu exactitate interactiunile fortei nucleare tari intre perechile de nucleoni din nucleu. Noile date pot fi, de asemenea, utilizate pentru a evalua abordarile alternative pentru a modela miezul stelelor neutronice.
Ceea ce li s-a parut interesant cercetatorilor a fost faptul ca acest acelasi model, asa cum este scris, descrie interactiunea nucleonilor la distante extrem de scurte, fara a tine cont în mod explicit de quarkuri si gluoni. Fizicienii au presupus ca in medii extrem de dense, haotice, cum ar fi miezurile stelelor neutronice, interactiunile dintre neutroni ar trebui sa conduca la fortele mai complexe dintre quark si gluoni. Deoarece modelul nu tine cont de aceste interactiuni mai complexe si pentru ca predictiile sale la distante scurte se potrivesc cu observatiile echipei, Hen spune ca este probabil ca miezul unei stele neutronice sa fie descris intr-o manieră mai putin complicata.
„Oamenii au presupus ca sistemul este atat de dens incat ar trebui considerat ca o supa de quarkuri si gluoni”, explica Hen. „Dar chiar si la cele mai mari densitati, putem descrie aceste interactiuni folosind protoni si neutroni; ei par sa isi pastreze identitatile si nu se transforma in aceasta multitudine de quarkuri. Prin urmare, nucleii stelelor neutronice ar putea fi mult mai simpli decat credeau oamenii. Asta este o surpriza imens.”
