Neutronii, particule care fac parte din nucleele atomilor, au o structură complexă, care este studiată în diverse experimente în lumea întreagă. Recent colaborarea BES III, un experiment efectuat în China, a reușit să efectueze măsurători ale structurii neutronilor cu o precizie extrem de mare care arată cât de complexă este această particulă.

Neutronii

Neutronii au fost descoperiți acum aproape 90 de ani, și de atunci nu au încetat să îi fascineze pe oamenii de știință. Fac parte din nucleele atomilor, împreună cu protonii. Un anumit element chimic este caracterizat de numărul de protoni din nucleu, numărul de neutroni putând să varieze (așa-numiții izotopi). Masa neutronilor este puțin mai mare decât cea a protonilor – și dacă nu ar fi fost așa, Universul ar arăta cu totul altfel! Nu au sarcină electrică, motiv pentru care studiul experimental al neutronilor este dificil și necesită tehnici experimentale deosebite.

Structura neutronului

În cadrul Modelului Standard al fizicii particulelor elementare neutronul este compus, la fel ca și protonul, din cuarci. Cuarcii sunt particule elementare – cel puțin din câte știm la ora actuală sunt particule care nu au o structură, nu sunt compuse din particule și mai mici. Simplificând neutronul este alcătuit din trei cuarci: doi de tip down și unul de tip up. În realitate însă, neutronul este extrem de complex, și în interiorul acestuia se găsește o supă de cuarci și anticuarci și de gluoni. Gluonii sunt purtătorii interacțiunii nucleare tari – cea care ține împreună cuarcii în neutron de exemplu. Un fel de echivalent al fotonului pentru interacțiunea electromagnetică. Ca să înțelegem mai bine structura neutronului au fost definite o serie de proprietăți ale acestuia care sunt studiate atât din punct de vedere teoretic cât și experimental.

Factorii de formă ai neutronului

Proprietățile electrice și magnetice ale neutronului sunt descrise de așa-numiții factori de formă, un fel de funcții care descriu structura electrică și magnetică a neutronului. Există experimente care măsoară acești factori de formă în diverse procese. La energii mari ceea ce se face sunt ciocniri ale diverselor particule cu neutronii – din modul în care acestea se împrăștie se calculează factorii de formă. La energii foarte joase însă ciocnirile nu mai sunt un instrument util; în acest caz se folosesc anihilări de materie și antimaterie, care dau informații despre proprietățile neutronului.

BES III și noile măsurători

Experimentul BES III din China a reușit să efectueze măsurători extrem de precise ale factorilor de formă pentru neutroni la energii foarte joase. Pentru a realiza acest record au fost măsurați neutroni și antineutroni produși în urma anihilării fasciculelor de electroni cu cele de pozitroni – antimateria electronului. Măsurătorile efectuate în intervalul de energie între 2 și 3.8 GeV au o precizie de circa 60 de ori mai mare decât măsurătorile anterioare și rezultatele acestui studiu au fost recent publicate în revista Nature Physics.

Cercetătorii au observat că modul în care factorii de formă depind de energie are o structură complexă, oscilantă, cu oscilații care devin din ce în ce mai mici pe măsură ce energia crește.

Ba mai mult, dacă până recent se credea că factorii de formă ai protonilor sunt mai mici decât cei ai neutronilor, noile măsurători arată cum că situația ar fi exact pe dos.

Neutronii – încă misterioși

Noi experimente, precum BES III, arată cum studiul experimental al neutronilor are încă nevoie de date de precizie. Acest studiu este important nu doar pentru a ne ajuta să înțelegem cum anume sunt făcuți neutronii – un fel de anatomie a acestora – ci au un impact mare inclusiv în astrofizică și cosmologie, întrucât reacțiile care au loc în stele, fuziunea nucleară, depind în mare parte tocmai de proprietățile acestor particule, precum neutronii. Ba mai mult, stelele de neutroni, enorme sisteme compuse din multe miliarde de miliarde de neutroni, sunt obiecte extrem de fascinante, care nu sunt încă înțelese pe deplin. Structura acestora depinde în mare parte de structura și proprietățile neutronului.

Credit imagine: Prof. Dr. Xiaorong Zhu, University for Science and Technology, China

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