I componenti interni del rivelatore Star presso il Relativistic Heavy Ion Collider (a destra) consentono agli scienziati di individuare le tracce delle particelle generate dal decadimento di ipertritoni e anti-ipertritoni, raccolte nelle regioni esterne del rivelatore (a sinistra). Crediti: Bnl
I recenti risultati ottenuti grazie ai rivelatori di particelle presso il Relativistic Heavy Ion Collider (Rhic) hanno permesso di dare uno sguardo nuovo alle interazioni tra particelle che avvengono nei nuclei delle stelle di neutroni e al contempo hanno offerto ai fisici nucleari un nuovo modo di cercare violazioni delle simmetrie fondamentali nell’universo.
I risultati, appena pubblicati su Nature Physics, potevano essere ottenuti solo da un potente collettore di ioni come Rhic, una struttura del Department of Energy (Doe) Office of Science statunitense per la ricerca in fisica nucleare, che si trova presso il Brookhaven National Laboratory.
Le precise misurazioni effettuate hanno rivelato che l’energia di legame che tiene insieme i componenti del nucleo più semplice di materia strana, noto come ipertritone (ossia un ipernucleo formato da un protone, un neutrone e un qualsiasi iperone), sembra essere maggiore di quella ottenuta da precedenti esperimenti meno precisi. Il nuovo valore potrebbe avere importanti implicazioni astrofisiche per la comprensione delle proprietà delle stelle di neutroni, dove si prevede che la presenza di particelle contenenti i cosiddetti quark “strani” – o strange – sia piuttosto comune.
Una seconda misura ha riguardato la ricerca di una differenza tra la massa dell’ipertritone e la sua controparte di antimateria, l’anti-ipertritone (il primo nucleo contenente un quark anti-strange, scoperto al Rhic nel 2010). I fisici non hanno mai trovato una differenza di massa tra gli elementi delle coppie materia-antimateria, e vederne una sarebbe una grande scoperta. Sarebbe la prova della violazione della simmetria Cpt – ossia la violazione simultanea delle tre simmetrie fondamentali in natura relative all’inversione di carica, parità e tempo.
«I fisici hanno riscontrato la violazione della parità e la violazione della Cp (carica e parità insieme), guadagnando in entrambi i casi un premio Nobel per il Brookhaven Lab, ma non hanno mai osservato una violazione della simmetria Cpt», ricorda il fisico Zhangbu Xu, portavoce dell’esperimento Star al Rhic, dove si è svolta la ricerca sull’ipertritone. «Tuttavia, nessuno ha mai cercato la violazione della Cpt nell’ipertritone e nell’antipertritone, perché nessun altro avrebbe potuto farlo».
Il precedente test Cpt del nucleo più pesante è stato eseguito in Europa dalla collaborazione Alice al Large Hadron Collider (Lhc), con una misura della differenza di massa tra l’elio-3 e l’antielio-3 ordinari. Il risultato, che non mostra differenze significative, è stato pubblicato su Nature Physics nel 2015.
I più semplici nuclei di materia ordinaria contengono solo protoni e neutroni, ognuno dei quali è costituito da quark ordinari up e down. Negli ipertritoni, al posto del neutrone c’è una particella lambda, che contiene un quark strange insieme ai più normali up e down. Queste strane sostituzioni di materia sono piuttosto comuni nelle condizioni ultra-dense create nelle collisioni del Rhic, così come probabilmente lo sono anche nei nuclei delle stelle di neutroni, in cui un singolo cucchiaino di materia peserebbe più di 1 miliardo di tonnellate. Questo perché l’alta densità rende meno dispendioso dal punto di vista energetico produrre quark strange rispetto alle normali varietà up e down.
Per questo motivo, le collisioni al Rhic offrono ai fisici nucleari un modo per scrutare – senza mai lasciare la Terra – le interazioni subatomiche all’interno di oggetti stellari distanti. E poiché le collisioni che avvengono all’interno del Rhic creano ipertritoni e anti-ipertritoni in quantità quasi uguali, offrono anche un modo per cercare la violazione della Cpt. Ma trovare queste rare particelle, tra le migliaia che scorrono all’interno del Rhic, dove si verificano collisioni migliaia di volte al secondo, è un compito abbastanza scoraggiante. A questo si può aggiungere che tali particelle instabili decadono non appena si formano, a pochi centimetri dal centro del rilevatore Star, largo quattro metri.
L’Heavy Flavor Tracker al centro del rivelatore Star. Crediti: Bnl
Fortunatamente, i componenti del rivelatore aggiunti a Star per tracciare diversi tipi di particelle hanno reso la ricerca un gioco da ragazzi. Questi componenti, chiamati “Heavy-Flavor Tracker“, si trovano molto vicino al centro del rivelatore Star. Sono stati sviluppati e costruiti da un team di collaboratori di Star, guidati da scienziati e ingegneri presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Doe. Questi componenti interni consentono agli scienziati di abbinare le tracce create dai prodotti del decadimento di ciascun ipertritone e anti-ipertritone con il loro punto di origine, appena fuori dalla zona di collisione.
«Ciò che cerchiamo sono le particelle “figlie”, ossia i prodotti del decadimento che colpiscono i componenti del rivelatore ai bordi esterni di Star», spiega Xin Dong, fisico del Berkeley Lab. L’identificazione di tracce di coppie – o di terzine – di particelle figlie che si sono originate da un singolo punto appena fuori dalla zona di collisione primaria consente agli scienziati di individuare questi segnali nel mare di altre particelle che vengono generate da ogni collisione nel Rhic.
«Successivamente, calcoliamo la quantità di moto di ciascuna particella figlia di un decadimento (in base a quanto la loro traiettoria risulta piegata dal campo magnetico di Star), e da quella possiamo ricostruire le loro masse e la massa dell’ipertritone o anti-ipertritone genitore, prima che decadesse», dice Declan Keane della Kent State University (Ksu). Distinguere l’ipertritone dall’anti-ipertritone è facile perché decadono diversamente, ossia con particelle “figlie” diverse.
L’analisi dei dati provenienti da molte collisioni non ha rivelato alcuna differenza di massa tra gli ipernuclei di materia e quelli di antimateria, quindi non si evincono prove di violazione della Cpt da questi risultati. Ma quando i fisici di Star hanno esaminato i loro risultati per quanto riguarda l’energia di legame dell’ipertritone, hanno scoperto che era più grande delle precedenti misurazioni degli anni ’70. I fisici sono stati in grado di derivare l’energia di legame sottraendo il valore della massa dell’ipertritone dalla combinazione delle masse conosciute delle sue particelle elementari: un deuterone (uno stato legato di un protone e un neutrone) e una particella lambda.
«L’ipertritone pesa meno della somma delle sue parti perché parte di quella massa viene convertita nell’energia che lega insieme i tre nucleoni», spiega Jinhui Chen, un collaboratore dell’Università di Fudan il cui studente di dottorato, Peng Liu, ha analizzato l’enorme set di dati che ha permesso loro di arrivare a questi risultati. «Questa energia di legame è davvero una misura della forza di queste interazioni, quindi la nostra nuova misurazione potrebbe avere importanti implicazioni per la comprensione dell’equazione di stato delle stelle di neutroni», ha aggiunto. Ad esempio, nei calcoli del modello, la massa e la struttura di una stella di neutroni dipendono dalla forza di queste interazioni. «C’è un grande interesse nel capire come queste interazioni – una forma della forza forte – siano diverse tra i nucleoni ordinari e i nucleoni strange contenenti up, down e quark strange», conclude Chen. «Poiché questi ipernuclei contengono una sola lambda, questo è uno dei modi migliori per fare confronti con previsioni teoriche. Riduce il problema nella sua forma più semplice».
In conclusione, nemmeno i risultati di Star hanno rivelano alcuna differenza di massa significativa tra i compagni materia-antimateria studiati a Rhic, e quindi non ci sono ancora prove di una violazione della Cpt. Ma il fatto che i fisici di Star siano riusciti ad effettuare tali misure è una testimonianza delle notevoli capacità del loro rivelatore.
Per saperne di più:
- Leggi su Nature Physics l’articolo “Measurement of the mass difference and the binding energy of the hypertriton and antihypertriton” della Collaborazione Star