Experimentul ALICE de la marele accelerator de particule LHC de la CERN a măsurat proprietățile unor nuclee care conțin hiperoni – adică particule cu quarkuri stranii. Acest tip de studii ne poate ajuta să înțelegem dacă în inima stelelor de neutroni există, pe lângă nucleonii pe care îi cunoaștem, și particule precum hiperonii.

ALICE la CERN

Unul dintre experimentele de la marele accelerator LHC (Large Hadron Collider) de la CERN (Geneva) este ALICE – experiment care studiază ceea ce se întâmplă atunci când se ciocnesc la energii foarte mari nuclee de plumb. În urma acestor coliziuni iau naștere mii de particule în starea finală – multe dintre acestea prin transformarea (formula lui Einstein) energiei în masă. ALICE studiază aceste procese pentru a înțelege mai bine nașterea și evoluția Universului, dar și procese de fizică nucleară care ar putea avea loc în stele și structura stelelor – în mod specific a stelelor de neutroni.

Stelele de neutroni

Stelele de neutroni sunt ceea ce rămâne dintr-o stea mai mare ca Soarele – însă nu mult mai mare (în acest caz se formează o gaură neagră) atunci când aceasta ajunge la sfârșitul vieții în momentul în care în interior nu mai pot avea loc reacții de fuziune nucleară care să se opună forței gravitaționale. Când se ajunge în această fază forța gravitațională domină și în colapsul gravitațional diverse straturi ale stelei se ciocnesc între ele generând o explozie (supernova); nu însă toată materia stelei este împrăștiată în spațiu – o parte, cea centrală, rămâne și dă naștere așa-numitei stele de neutroni. La ora actuală nu știm încă bine din ce este alcătuită o stea de neutroni – evident conține foarte mulți neutroni (circa 10 la puterea 57) însă pe lângă aceștia în inima stelei ar putea exista și alte particule, precum cele care conțin așa-numitul quark „strange”, precum așa-numiții hiperoni.  Stelele de neutroni se studiază atât prin observații astrofizice și astronomice, prin undele gravitaționale generate atunci când o stea de neutroni se ciocnește cu o altă stea de neutroni sau cu o gaură neagră, dar și prin studii de fizică nucleară în laboratoarele noastre, precum cele efectuate de ALICE.

ALICE și hipernucleele

Hiperonii sunt particule asemănătoare protonilor și neutronilor – adică formate din trei quarkuri – unul dintre quarkuri fiind straniu (strange). Se pot forma nuclee care pe lângă neutroni și protoni pot să conțină hiperoni – se numesc hipernuclee și sunt studiate pentru a se înțelege mai bine interacțiunea dintre hiperoni și nucleoni (protoni și neutroni).

ALICE a studiat un anumit tip de hipernuclee – așa-numitul hipertritiu – un nucleu care conține un proton, un neutron și un hiperon de tip Lambda. Practic, au fost produse și studiate circa 1.000 de hipernuclee de acest gen. Studiul a fost efectuat prin măsurarea produșilor care rezultă din dezintegrarea hipertritiului: adică heliu3 și un pion. S-a ajuns la concluzia că energia de legătură dintre hiperon și nucleonii din hipertritiu este extrem de mică (câteva zeci de KeV). Ba mai mult, a fost studiată și antimateria hipertritiului – anti-hipetritiu, care are, în limita erorilor, aceeași viață medie ca și hipertritiul. Acest ultim rezultat este important, întrucât, dacă nu ar fi fost așa, s-ar fi avut o rupere a unei simetrii fundamentale în Univers (simetria CPT).

ALICE și stelele de neutroni

Au fost descoperite stele de neutroni cu masă de circa 2 ori mai mare decât a Soarelui; altele au masă de circa 1.4 ori mai mare decât a astrului nostru. Din câte știm stele cu masă așa de mare (de 2 ori cea a Soarelui) nu ar trebui să conțină hiperoni – însă situația nu este clară. Rezultate precum cele obținute de ALICE ne vor ajuta să înțelegem mai bine interacțiunea dintre hiperoni și nucleoni și vor contribui la a descifra ecuația care stă la baza stelelor de neutroni (Equation of State). În așa-numitul Run3 – care începe acum – se vor achiziționa și mai multe date și vom studia în detaliu hipernucleele, măsurând proprietățile acestora cu precizie din ce în ce mai mare. Acest studiu este important atât pentru fizica nucleară și a interacțiunii nucleare puternice, cât și pentru astrofizică – stelele de neutroni.

Credit imagine: ALICE/CERN

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe