Nucleele cu mai mulți neutroni decât protoni au o pătură de neutroni în exterior – cât de subțire este aceasta? Un experiment efectuat la Thomas Jefferson National Accelerator Facility măsoară acest înveliș pentru nucleele de plumb-208. Este extrem de subțire! Studiul are implicații inclusiv în fizica stelelor de neutroni.

Atomii 

Din ce este compusă materia? Toți știm răspunsul la această întrebare: elemente chimice – atomi. Aceștia formează molecule simple sau extrem de complexe. Atomii, elementele chimice, sunt compuși dintr-un nucleu și electroni. La rândul lui nucleul unui atom conține protoni și neutroni. Ei bine, numărul de protoni – egal cu numărul de electroni, ne spune despre ce element chimic este vorba. Dacă hidrogenul conține doar un proton în nucleu, elemente chimice precum plumbul au mult mai mulți: 82 în acest caz. Protonii și neutronii se leagă în nuclee prin așa-numita interacțiune nucleară tare; aceasta de fapt este la nivel de cuarci – particulele elementare din care sunt compuși protonii și neutronii – și este cea mai intensă forță din natură. Electronii sunt ținuți în atomi de interacțiunea electromagnetică. Vedem deci că un atom are o structură deosebit de complexă, pe care încă o studiem.

Nucleele magice și plumbul-208

La oră actuală încă nu avem o teorie perfectă despre interacțiunea nucleară tare – cea care ține împreună protonii și neutronii în nuclee. Avem mai multe așa-numite modele care descriu această interacțiune, însă știm că nici unul nu este perfect. Din acest motiv studiul nucleelor atomice atât din punct de vedere teoretic cât și experimental este extrem de important. Din punct de vedere teoretic modelele descriu protonii și neutronii  din nuclee ca ocupând diverse nivele de energie – în mod asemănător cu electronii care ocupă nivele de energie atomice. Fiind vorba de interacțiunea nucleară tare energiile acestor nivele în nuclee sunt mult mai mari decât cele atomice. Există o serie de nuclee pentru care neutronii și protonii au numere magice – adică ocupă complet aceste nivele de energie. Nucleul de plumb-208 este un nucleu dublu-magic, întrucât atât numărul de protoni, 82, cât și cel de neutroni, 126, sunt numere magice. Din acest motiv nucleul de Pb-208 este foarte stabil, acest lucru făcându-l unul dintre nucleele cele mai studiate.

PREX măsoară grosimea păturii de neutroni

Unul dintre obiectivele experimentelor efectuate asupra nucleelor de Pb-208 este acela de a măsura grosimea stratului de neutroni care învăluie partea centrală care are o densitate mare. Cum numărul de neutroni este mult mai mare decât cel al protonilor în acest nucleu, o parte din neutroni sunt în partea superficială a nucleului. Studiul grosimii acestui strat dă informații despre forța nucleară tare și, indirect, despre stelele de neutroni.

 Colaborarea PREX a efectuat un experiment la Thomas Jefferson National Accelerator Facility în Virginia, USA, în care a bombardat o țintă de plumb-208, ținută între două diamante, cu electroni; din modul în care electronii se împrăștiau au dedus modul în care protonii și neutroni erau poziționați în nuclee. S-a ajuns astfel la concluzia, publicată într-un articol în revista Phys. Rev. Lett., cum că stratul exterior de neutroni are o grosime de doar 0.28 femtometri (1 femtometru este 10 la puterea minus 15 metri!); puțin mai mult decât prevedea teoria.

Nucleele de plumb și stelele de neutroni 

Studiul acestor nuclee cu mai mulți neutroni decât protoni dă informații extrem de utile inclusiv pentru studiul stelelor de neutroni, unde, se presupune, neutronii formează mare parte a stelei. Într-o stea de neutroni însă sunt multe miliarde de miliarde de ori mai mulți neutroni; cum aceștia se leagă împreună în interiorul stelei și cât de densă este aceasta încă nu știm cu precizie. De acești factori depinde atât dimensiunea stelei cât și, la urma urmei, conținutul stelei – s-ar putea ca o stea de neutroni să conțină și altfel de particule – de exemplu particule cu cuarci stranii.

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