Experimentul ALICE de la acceleratorul LHC de la CERN a publicat recent noi rezultate legate de studiul interacțiunii hadronilor cu metoda numită femtoscopie. Studiul acestei interacțiuni este important atât pentru fizica particulelor și a interacțiunii nucleare tari, cât și pentru studiul stelelor de neutroni și al compoziției acestora.

Ce sunt hadronii?

Modelul Standard al fizicii particulelor elementare clasifică toate particulele elementare pe care le cunoaștem la ora actuală – adică acele particule care nu sunt compuse (din câte știm în prezent) din alte particule și mai mici. Acest model descrie modul în care aceste particule interacționează între ele prin interacțiunea nucleară slabă și tare și interacțiunea electromagnetică. Cuarcii sunt prezenți în Modelul Standard: șase cuarci care dau naștere familiei de particule denumite hadroni – precum neutronii și protonii, care sunt compuși fiecare din trei cuarci. Există însă multe alte particule compuse din cuarci. Printre acestea se numără de exemplu mezonii – care sunt alcătuiți dintr-un cuarc și un anti-cuarc. Hadronii interacționează între ei printr-un reziduu al interacțiunii dintre cuarcii din care sunt alcătuiți; așa de exemplu se țin împreună legați în nuclee protonii și neutronii și ia naștere fizica nucleară.

Studiul interacțiunii dintre hadroni

Studiul interacțiunii dintre hadroni este dificil, întrucât mulți dintre aceștia se formează (doar) la acceleratoarele de particule și trăiesc foarte puțin, dezintegrându-se în alte particule. Ba mai mult, există și hadroni neutri din punct de vedere electric, studiul cărora este și mai complex întrucât nu sunt sensibili la câmpurile electrice și magnetice. În acest context au fost inventate mai multe metode directe sau indirecte pentru a studia cât de intensă este interacțiunea între hadroni și dacă aceasta este atractivă sau repulsivă. Una dintre aceste metode dezvoltată la experimentul ALICE la CERN este femtoscopia.

Femtoscopia de la ALICE

Experimentul ALICE de la CERN studiază procesele care au loc în urma coliziunii dintre fascicule de protoni de mare energie sau nuclee de plumb. ALICE a dezvoltat o metodă extrem de interesantă pentru a măsura în mod indirect interacțiunea dintre hadroni: se măsoară particulele care se nasc în urma coliziunii, de exemplu, a fasciculelor de protoni și distanța dintre acestea. Distanța dintre particulele care se formează în interacțiune într-o regiune de dimensiuni de ordinul femtometrilor, adică 10 la puterea minus 15 metri, depinde de caracterul repulsiv sau atractiv al interacțiunii dintre acestea. Adică atunci când interacțiunea este atractivă particulele măsurate sunt mai apropiate decât ar fi de așteptat fără nici un fel de interacțiune; pentru interacțiunea repulsivă sunt mai îndepărtate. Deci atunci când detectoarele experimentului le măsoară pot să stabilească ce fel de interacțiune există între acestea și cât de puternică este aceasta. Metoda se numește femtoscopie.

Noi rezultate: interacțiunea phi-proton

În acest context ALICE a publicat recent un nou articol în revista Phys. Rev. Letters în care se efectuează o primă măsurătoare a interacțiunii dintre particule phi (compuse dintr-un cuarc straniu și un anticuarc straniu) și protoni. Ceea ce s-a obținut este o interacțiune atractivă însă cu o intensitate relativ mică. Măsurătoarea nu este încă foarte precisă, și colaborarea ALICE are obiectivul de a îmbunătăți acest studiu în anii care urmează.

La ce folosește?

La ce folosește acest rezultat? Din studiul interacțiunii particulei phi cu protonii se poate deduce în mod indirect cât de intensă este interacțiunea dintre hiperoni: adică particule compuse din trei cuarci, precum protonii sau neutronii, (cel puțin) unul dintre aceștia însă fiind un cuarc straniu (sau anti-straniu). Rezultă o interacțiune foarte slabă, cel puțin deocamdată. Acest studiu este important pentru fizica stelelor de neutroni, în inima cărora s-ar putea forma hiperoni. Ba mai mult, femtoscopia dezvoltată de ALICE este importantă și pentru a se înțelege mai bine un fenomen care ar fi dat naștere masei protonilor și neutronilor: așa-numita ruptură de simetrie chirală, care ne spune de ce masa unui proton de exemplu este mult mai mare decât simpla sumă a maselor celor trei cuarci din care ar fi compus.

Credit imagine: ALICE collaboration

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