Experimente efectuate în Statele Unite la acceleratorul RHIC arată cum ciocnirile protonilor cu nuclee din ce în ce mai mari au caracteristici care demonstrează cum că interacțiunile dintre quarkuri și gluoni la un moment dat ar ajunge într-un regim de saturație, exact cum prevede teoria interacțiunii nucleare puternice.

Din ce sunt compuse nucleele atomice?

Cu toții știm că materia este alcătuită din molecule, la rândul lor compuse din atomi. Atomii au o structură complexă, cu un nucleu dens și relativ mic, cu electroni care orbitează în jurul acestuia. Nucleele atomilor sunt compuse din protoni și neutroni, care sunt legați între ei de așa-numita interacțiune nucleară puternică. Numărul de protoni dintr-un nucleu caracterizează un element chimic (acesta este egal cu numărul electronilor); numărul de neutroni poate să fie variabil – rezultând izotopii elementelor chimice. Dar protonii și neutronii, din ce sunt alcătuiți?

Quarkuri și gluoni în inima protonilor și a neutronilor

Protonii și neutronii sunt alcătuiți din particule elementare (din câte știm la ora actuală) denumite quarkuri; acestea sunt legate una de alta prin interacțiunea nucleară puternică al cărui purtător este așa-numitul gluon (un fel de echivalent al fotonului, care este purtătorul interacțiunii electromagnetice). Gluonii au caracteristici speciale – au o așa-numită sarcină de culoare (spre deosebire de fotoni care nu au sarcină electrică). Acest fapt face astfel încât interacțiunea nucleară puternică să aibă proprietăți deosebite: este cu atât mai intensă cu cât particulele sunt mai departe una de alta (libertate asimptotică); teoria care descrie interacțiunea nucleară puternică se numește cromodinamica cuantică, și este încă studiată intens atât din punct de vedere teoretic cât și experimental, întrucât nu este pe deplin înțeleasă.

Noi rezultate de la RHIC

Un nou studiu al cărui rezultat a fost recent publicat în revista Physical Review Letters arată cum că interacțiunea între quarkuri și gluoni suferă un fenomen de saturație atunci când ciocnirile au loc la energii foarte mari (relativistice) și trecând de la nuclee ușoare la cele din ce în ce mai grele. Practic, oamenii de știință au efectuat experimente de ciocniri ale protonilor cu alți protoni sau cu nuclee de aluminiu și aur, la RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) la Brookhaven National Laboratory folosind aparatul STAR. Au ajuns la concluzia că numărul de particule așa-numite back-to-back (spate-în-spate) care se formează în urmă interacțiunii (ioni cu sarcină electrică nulă), și care este un semnal al interacțiunii dintre un quark și un gluon din interiorul nucleului studiat, nu crește în mod proporțional cu masa nucleului – adică cu numărul presupus de gluoni. Se manifestă un fenomen de saturație. Ceea ce înseamnă că gluonii – în nucleele mai grele – interacționează între ei, se recombină și nu mai dau naștere proceselor care au loc în interacțiunea proton-proton, în care  un quark din proton vede și interacționează cu un gluon din celălalt proton. Aceste procese complexe, în care gluonii interacționează între ei cu atât mai mult cu cât energia este mai mare și nucleele mai grele, este prevăzut de teoria cromodinamicii cuantice. Totuși, detaliile acestui studiu ne ajută să înțelegem mai bine această teorie.

Planuri de viitor: experimente la EIC

Pentru viitor, planurile sunt de a studia procese în care interacțiunea nu mai este între un quark și un gluon, ci între un electron și un gluon. Acest studiu este în programul cercetării științifice la viitoarea infrastructură EIC (Electron Ion Collider) care va fi construită la Brookhaven. La EIC se va putea avea o confirmare a acestui fenomen de saturație, întrucât și interacțiunea dintre electroni și gluoni ar trebui să prezinte același fenomen. Aceste studii contribuie la o înțelegere mai profundă a teoriei interacțiunii nucleare puternice, care stă la baza structurii nucleelor atomice, precum și a multor altor procese din Univers, fiind una dintre cele trei interacțiuni fundamentale din cadrul Modelului Standard al fizicii particulelor elementare.

Credit imagine: RHIC

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