Il nucleo atomico è un luogo insolito. È noto che contiene protoni e neutroni. Queste particelle, o
Misteri dell'interazione forte, chedetermina il movimento di queste particelle, costringe gli scienziati a cercare nuovi modi per guardare all'interno dell'atomo per capire cosa sta succedendo lì. I fisici hanno escogitato un nuovo metodo che utilizza atomi specchio e hanno scoperto che i protoni si scontrano con i loro compagni protoni e i neutroni con i loro compagni neutroni, più spesso del previsto.
Che cos'è un'interazione forte?
La forza nucleare forte è una delleinterazioni fondamentali insieme a gravità, elettromagnetismo e interazione debole. È meglio studiato a livello quantistico. L'interazione tra quark (particelle elementari che compongono la materia) e gluoni (portatori di massa dell'interazione forte) è descritta dalla cromodinamica quantistica.
Gli scienziati credono che ogni quark lo siaportatore di una specifica carica quantistica. Si chiama colore, anche se è un termine convenzionale che non ha nulla a che fare con le proprietà ottiche. Inoltre, ha un vettore di stato definito nello spazio colore 3D complesso.
L'interazione forte è un processo in cuicarica di scambio dei quark (colore) trasportata dal gluone. A differenza del fotone nell'interazione elettromagnetica, che è unico e non ha carica propria, ogni gluone porta un colore specifico. I ricercatori identificano otto tipi di tali particelle con cariche diverse.
Schema di interazione forte. Immagine: Manishearth, CC BY-SA 3.0, tramite Wikimedia Commons
Come suggerisce il nome, la forza forte èil più potente, ma agisce solo a brevi distanze, paragonabili alle dimensioni di un nucleo atomico e inferiori. Una caratteristica sorprendente di questa interazione è che man mano che la distanza tra i quark aumenta, aumenta e quando diminuisce si indebolisce.
Questo effetto provoca il confinamento - il blocco dei quark all'interno degli adroni (particelle composte). Pertanto, un quark non può esistere nello spazio libero, ma solo come parte di particelle più complesse.
L'interruzione dell'interazione tra due quark sotto l'azione dell'energia porta alla nascita di una nuova coppia di quark e antiquark. Animazione: Manishearth, CC BY-SA 3.0, tramite Wikimedia Commons
Sebbene la forza forte sia la teoria più ben sviluppata nella fisica delle particelle, le interazioni di particelle composte come adroni e nucleoni (protoni e neutroni) sono molto difficili da calcolare.
Come si misura l'interazione dei nucleoni?
Modello condizionale di un atomo (a sinistra) e di elio-4 (a destra). Il colore grigio è la nuvola di elettroni, l'immagine ingrandita mostra il nucleo. Immagine a destra: Utente:Yzmo, CC BY-SA 3.0, tramite Wikimedia Commons
I nuclei atomici sono spesso rappresentati come densiammassi di protoni e neutroni incollati insieme, ma in realtà questi nucleoni ruotano costantemente l'uno attorno all'altro. Allo stesso tempo, si scontrano e si disperdono di nuovo, ma sulla "fascia elastica" di forte interazione tornano indietro. Nella maggior parte dei nuclei, gli scienziati stimano che i nucleoni trascorrano circa il 20% della loro vita in stati eccitati ad alto momento causati da queste collisioni.
La corretta interpretazione dell'insieme del fisicoesperimenti, come quelli condotti al Large Hadron Collider e altri acceleratori di particelle, dipendono da quanto bene gli scienziati comprendono tali collisioni.
Per studiarli, i fisici lavoranonuclei atomici con fasci di elettroni ad alta energia. Se misuri con quale energia e in quale direzione un elettrone ha iniziato a muoversi quando si è scontrato con un protone di un nucleo atomico carico positivamente, puoi determinare la velocità con cui si è mosso.
Inoltre, ha un elettrone altamente caricoquantità di moto sufficiente per rompere l'interazione forte e far uscire il protone “eccitato” dal nucleo atomico. Nel processo di interruzione della connessione, in molti casi, il suo "partner" viene lanciato dietro di lui: la particella con cui ha incontrato l'ultima volta ed è collegata da una forte interazione.
Negli esperimenti classici, i fisici usanocontare tali coppie "espulse" di due protoni, o un protone e un neutrone, per determinare come interagiscono i nucleoni negli atomi del nucleo. Esperimenti in cui i nuclei di vari atomi dal carbonio con 12 nucleoni a piombo con 208 sono stati irradiati con elettroni hanno mostrato approssimativamente la stessa distribuzione: quasi il 95% di tutte le collisioni sono in coppie protone-neutrone e il 5% sono nell'interazione tra nucleoni identici.
Lo svantaggio di questo metodo è che talele collisioni esatte in cui entrambe le particelle vengono emesse dal nucleo sono piuttosto rare e altri fattori possono influenzare le particelle negli atomi. Pertanto, le misurazioni contengono pochi dati e i risultati hanno un errore elevato.
Cosa ha mostrato l'esperimento con i nuclei specchio?
Per aggirare questa limitazione, gli scienziati hanno inventatonuovo metodo. Decisero di irradiare nuclei atomici “specchio”. Un atomo di elio-3 (un isotopo stabile dell'elio) ha lo stesso numero di nucleoni del trizio (un isotopo dell'idrogeno). Ma se nel primo caso il nucleo è costituito da due protoni e un neutrone, nel secondo caso è tutto esattamente il contrario.
Gli scienziati si sono resi conto che se ciascuno di questiatomi, quindi la differenza nei set di nucleoni aiuterà a determinare con maggiore precisione come i protoni e i neutroni dei nuclei atomici interagiscono tra loro. Nel nuovo esperimento è stato possibile raccogliere molti più dati rispetto ai precedenti, perché l'analisi non ha richiesto i rari eventi di tripla coincidenza, quando entrambe le particelle eccitate volavano fuori dal nucleo; ne bastava anche una sola.
I ricercatori riferiscono che il nuovo metodo è aumentatoprecisione di misurazione 10 volte. Tuttavia, non si aspettavano che le interazioni dei nucleoni negli atomi semplici sarebbero state molto diverse da quelle complesse testate in esperimenti precedenti.
In un articolo recentemente pubblicato sulla rivistaNatura, i fisici riferiscono che la proporzione di interazioni tra particelle identiche (collisioni protone-protone e neutrone-neutrone) si è rivelata molto più alta: si tratta di circa il 20%.
Volevamo effettuare misurazioni significativamente più accurate, ma non ci aspettavamo che fossero molto diverse.
John Arrington, ricercatore del Berkeley Lab e coautore di un nuovo articolo
Qual è il prossimo?
I ricercatori ritengono che la differenza inl'interazione delle particelle può essere spiegata precisamente dalla dimensione dei nuclei. I principali processi di scattering - i cambiamenti nella direzione del movimento delle particelle quando entrano in collisione con altre - si verificano con coppie di protoni e neutroni, ha detto Arrington. Ma durante l'irradiazione, ci sono altre cause che possono causare la dispersione e influenzare tutti i tipi di nucleoni.
Ad esempio, possono dipendere dalla distanza tra loroparticelle che sono più grandi nei nuclei leggeri che in quelli pesanti. Per confermare questa ipotesi o trovare una spiegazione alternativa, gli scienziati intendono condurre esperimenti simili con altri atomi leggeri.
Comprendere i principi responsabili dell'interazioneparticelle composite è di interesse non solo teorico ma anche pratico. Questi dettagli sono importanti per l'analisi dei dati negli esperimenti ad alta energia su quark, gluoni e altre particelle elementari come i neutrini. Inoltre, sono questi processi che spiegano l'interazione dei nucleoni che formano le stelle di neutroni.
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