Crediti: Jefferson Lab
Protone e neutrone possono essere considerati come due stati della stessa particella, il nucleone. Questo perché la massa dei due è quasi identica e la forza nucleare attrattiva è praticamente la stessa, indipendentemente dal tipo di nucleone coinvolto. In una coppia di nuclei a specchio, dove il numero di neutroni dell’uno corrisponde al numero di protoni dell’altro, ci si può quindi aspettare proprietà energetiche – e livelli energetici – del tutto analoghe. Questa simmetria, chiamata simmetria di isospin, viene violata dalla forza elettromagnetica in quanto il protone ha carica positiva mentre il neutrone è neutro. Poiché la repulsione elettrostatica tra i protoni è ben compresa, i suoi effetti sui nucleoni possono essere calcolati con precisione e ogni altra differenza significativa osservata per i nuclei specchio può essere attribuita ad altre forze che violano la simmetria.
Grazie ad un esperimento condotto nel 2018 presso la Thomas Jefferson National Accelerator Facility a Newport News, Virginia (Usa), un team di scienziati ha confrontato due nuclei a specchio fra i meno complessi esistenti in natura per avere una visione più chiara di come siano disposti i nucleoni all’interno dei nuclei nello stato energetico fondamentale. La ricerca, recentemente pubblicata in Physical Review Letters, ha rivelato alcune incongruenze con le previsioni teoriche.
Reynier Cruz Torres. Crediti: University of Florida
«Vogliamo studiare la struttura nucleare, che è fondamentalmente il modo in cui protoni e neutroni si comportano all’interno di un nucleo», spiega il primo firmatario della ricerca, Reynier Cruz-Torres, ricercatore del Lawrence Berkeley National Lab che ha lavorato all’esperimento come studente al Massachusetts Institute of Technology. «Per farlo, in principio possiamo utilizzare qualsiasi nucleo. Ma se vogliamo fare una verifica accurata della teoria nucleare, ci dobbiamo limitare ai nuclei leggeri per i quali disponiamo di calcoli precisi. Misurazioni effettuate su questi nuclei leggeri sono un punto di riferimento per la comprensione della struttura nucleare in generale».
Protagonisti di questo esperimento sono i due nuclei più semplici e leggeri dell’universo: elio e idrogeno. In particolare, due nuclei speculari da essi derivati: l’isotopo dell’elio considerato si chiama elio-3 e ha tre componenti principali, due protoni e un neutrone, mentre l’isotopo dell’idrogeno è il trizio, composto da un protone e due neutroni. Come si nota, sostituendo un protone con un neutrone, si passa da elio-3 a trizio e viceversa.
La loro semplicità li rende candidati perfetti al confronto con le previsioni teoriche che descrivono le strutture di base componenti i diversi nuclei. A causa della complessità dell’interazione nucleare forte, i sistemi nucleari sono spesso descritti utilizzando modelli che adottano vari livelli di approssimazione, rendendo la sperimentazione e l’analisi comparativa di tali approssimazioni una delle priorità della ricerca della fisica nucleare.
Veniamo ora ai dettagli dell’esperimento, condotto presso l’acceleratore a elevata precisione nella Continuous Electronic Beam Accelerator Facility (Cebaf). Cruz-Torres e collaboratori hanno “sparato” un fascio di elettroni contro i nuclei di elio-3 e trizio per studiarne l’interazione con i protoni dei nuclei. I protoni colpiti e gli elettroni interagenti sono stati catturati e misurati attraverso spettrometri di massa.
Una vista dell’acceleratore Cebaf da 12 GeV alla Jefferson National Accelerator Facility. Crediti: Jefferson Lab
«Usiamo gli spettrometri per studiare le proprietà di queste particelle nel loro stato finale e cerchiamo quindi di ricostruire cosa stava accadendo all’interno del nucleo prima che la reazione avesse luogo», dice Cruz-Torres. La componente innovativa di questo studio deriva dall’aver esplorato un regime molto più ampio di energie con una precisione senza precedenti. Inoltre, si tratta del primo studio di questo tipo condotto sul trizio.
Il confronto con le previsioni teoriche ha mostrato un generale buon accordo per entrambi i nuclei alla precisione consentita dall’esperimento, un risultato che è stato descritto come un “trionfo della fisica nucleare moderna”. Sono state osservate però alcune differenze inattese, che hanno portato alla luce la necessità di perfezionare i modelli teorici.
«Ci aspettavamo che i calcoli dell’elio-3 alla fine sarebbero stati facilmente corrispondenti ai dati, ma in realtà si è scoperto che la sezione d’urto del trizio si adattava molto bene al calcolo teorico, contrariamente a quanto avvenuto per l’elio-3 in tutto lo spettro energetico esplorato», conclude Florian Hauenstein della Old Dominion University, uno degli innumerevoli autori del nuovo studio. «Dobbiamo quindi fare un passo indietro e studiare il caso dell’elio-3».
Idrogeno ed elio sono i primi elementi che si sono generati nell’universo durante il processo di nucleosintesi primordiale, e sono inoltre gli elementi percentualmente dominanti. Le implicazioni di questo studio spaziano dalla comprensione della formazione dei nuclei nell’universo primordiale allo studio delle interazioni fondamentali fra le particelle.
Per saperne di più:
- Leggi l’articolo pubblicato su Physical Review Letters “Probing Few-Body Nuclear Dynamics via 3H and 3He (e,e′p)pn Cross-Section Measurements“, di R. Cruz-Torres, D. Nguyen, F. Hauenstein, A. Schmidt, S. Li, D. Abrams, H. Albataineh, S. Alsalmi, D. Androic, K. Aniol, W. Armstrong, J. Arrington, H. Atac, T. Averett, C. Ayerbe Gayoso, X. Bai, J. Bane, S. Barcus, A. Beck, V. Bellini, F. Benmokhtar, H. Bhatt, D. Bhetuwal, D. Biswas, D. Blyth, W. Boeglin, D. Bulumulla, A. Camsonne, J. Castellanos, J-P. Chen, E. O. Cohen, S. Covrig, K. Craycraft, B. Dongwi, M. Duer, B. Duran, D. Dutta, E. Fuchey, C. Gal, T. N. Gautam, S. Gilad, K. Gnanvo, T. Gogami, J. Golak, J. Gomez, C. Gu, A. Habarakada, T. Hague, O. Hansen, M. Hattawy, O. Hen, D. W. Higinbotham, E. Hughes, C. Hyde, H. Ibrahim, S. Jian, S. Joosten, H. Kamada, A. Karki, B. Karki, A. T. Katramatou, C. Keppel, M. Khachatryan, V. Khachatryan, A. Khanal, D. King, P. King, I. Korover, T. Kutz, N. Lashley-Colthirst, G. Laskaris, W. Li, H. Liu, N. Liyanage, P. Markowitz, R. E. McClellan, D. Meekins, S. Mey-Tal Beck, Z-E. Meziani, R. Michaels, M. Mihovilovič, V. Nelyubin, N. Nuruzzaman, M. Nycz, R. Obrecht, M. Olson, L. Ou, V. Owen, B. Pandey, V. Pandey, A. Papadopoulou, S. Park, M. Patsyuk, S. Paul, G. G. Petratos, E. Piasetzky, R. Pomatsalyuk, S. Premathilake, A. J. R. Puckett, V. Punjabi, R. Ransome, M. N. H. Rashad, P. E. Reimer, S. Riordan, J. Roche, M. Sargsian, N. Santiesteban, B. Sawatzky, E. P. Segarra, B. Schmookler, A. Shahinyan, S. Širca, R. Skibiński, N. Sparveris, T. Su, R. Suleiman, H. Szumila-Vance, A. S. Tadepalli, L. Tang, W. Tireman, K. Topolnicki, F. Tortorici, G. Urciuoli, L. B. Weinstein, H. Witała, B. Wojtsekhowski, S. Wood, Z. H. Ye, Z. Y. Ye, J. Zhang.