Heliul kaonic este un atom exotic, în care kaonii înlocuiesc electronii; studiul acestui atom este important, întrucât dă informații despre interacțiunea nucleară puternică. În acest context rezultatul unui experiment efectuat în Japonia este extrem de binevenit: cea mai precisă măsurătoare din lume a heliului kaonic.

Atomii exotici

Cu toții știm că atomii sunt alcătuiți dintr-un nucleu central care conține protoni și neutroni în jurul căruia orbitează electroni. Numărul protonilor (egal cu cel al electronilor) ne spune despre ce element chimic este vorba. Se pot însă genera și studia așa-numiții atomi exotici: în care electronii sunt înlocuiți cu alte particule cu sarcină electrică negativă – care sunt legate de nucleu prin interacțiunea electromagnetică. Pot fi generați atomi exotici de exemplu la acceleratoare de particule, cum ar fi atomi exotici de tip muonic – în care un muon (masa de circa 200 de ori mai mare ca a electronului) înlocuiește electronul. Pot exista și sunt studiați atomi exotici în care antiprotonii (antimateria protonului) înlocuiesc electronii, sau atomi kaonici.

Atomii kaonici 

Atomii kaonici sunt o categorie specială a atomilor exotici – întrucât particula care înlocuiește electronul conține așa-numitul cuarc straniu (strange). Kaonii sunt particule din categoria mezonilor și sunt compuși dintr-un cuarc și un anticuarc. Cuarcul este de tip strange și anti-cuarcul de tip (anti)up. Studiul acestor atomi este important întrucât ne dă informații despre interacțiunea puternică dintre cuarcii din kaoni (printre care cel straniu) și cei din nucleu. Cum obținem această informație? Măsurând radiația emisă atunci când atomii kaonici care se formează într-o stare excitată, atunci când kaonii înlocuiesc electronii fac tranziții atomice pe nivele joase (1s sau 2p) emițând raze X. Prin măsurătoarea acestor raze X obținem informații despre energia nivelelor atomilor exotici care depinde pentru nivelele joase atât de interacțiunea electromagnetică (care este foarte bine cunoscută) cât și de cea nucleară puternică – care nu este cunoscută și pe care o măsurăm când din energia măsurată scădem cea care este datorată interacțiunii electromagnetice.

Unde măsurăm atomii kaonici?

Cine scrie acest articol (Cătălina Curceanu) face parte din două experimente – unicele din lume – care măsoară atomii kaonici. Aceste măsurători sunt efectuate la acceleratoare de particule care emit kaoni: DAFNE în Italia (Frascati) și J-PARC în Japonia. Kaonii din Japonia au fost folosiți în experimentul E62 la J-PARC care a realizat cea mai precisă măsurătoare din lume a heliului kaonic.

E62 și heliul kaonic

Într-un articol publicat recent în Phys. Rev Letters. prezentam rezultatul pe care l-am obținut în Japonia la J-PARC în cadrul experimentului E62 în care am măsurat raze X emise de atomii kaonici de heliu3 și heliu4 (doi izotopi ai heliului). Pentru această măsurătoare am folosit detectoare de raze X de mare precizie – așa-numite detectoare TES (Transition Edge Sensors) – care funcționează având la bază o tranziție dintre o stare superconductoare într-una normală când trece o particulă prin detector – procesul permițând măsurarea energiei particulei cu precizie foarte mare.

Folosind fasciculul de kaoni de la acceleratorul J-PARC Hadron Hall și ținte de heliu lichid am generat și măsurat razele X emise de atomii kaonici în tranziții pe nivelul 2p. Măsurătoarea a fost făcută cu o precizie extremă: mai puțin de 1 eV (pentru energii de circa 6000 eV). Este cea mai precisă măsurătoare din lume, foarte importantă pentru studiul interacțiunii nucleare puternice.

La ce folosește?

Rezultatul experimentului E62 este important atât în înțelegerea modului în care interacționează cuarcii între ei cât și în studiul stelelor de neutroni care ar putea să aibă cuarci strange în interior. Studiile de atomi kaonici vor continua atât în Italia cu experimentul SIDDHARTA-2 cât și în Japonia în cadrul unor noi experimente.

Suntem un pas mai aproape de înțelegerea acestei interacțiuni puternice care este extrem de complexă.

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