Experimentul SIDDHARTA-2 la acceleratorul DAFNE de la laboratorul italian INFN-LNF de la Frascati este gata să înceapă prima măsurătoare din lume a deuteriului kaonic. Experimentul, în care un rol important îl are un grup de români, este extrem de dificil, datorită faptului că semnalul căutat este foarte mic – ca și cum ai căuta un ac într-un car de fân.

Atomii exotici

Toți știm că un atom este alcătuit dintr-un nucleu central, care conține protoni și neutroni, la rândul lor compuși din quarci, în jurul căruia orbitează electroni. Numărul de protoni, egal cu numărul de electroni, ne spune despre ce element chimic este vorba. Pe lângă atomii normali, cei despre care tocmai am vorbit, se pot genera și studia atomi exotici. Atomi care nu există în natură – nu sunt stabili. Astfel de atomi au în locul electronilor alte particule cu sarcină electrică negativă care se leagă de nucleu prin interacțiuni electromagnetice. Atomi exotici se pot forma, de exemplu, cu antiprotoni (antimateria electronilor, cu sarcina negativă): adică în jurul nucleului orbitează antoprotoni. Studiul atomilor exotici este extrem de interesant și important deoarece ne ajută să măsurăm interacțiunea dintre particulele care formează atomii exotici și nucleu. Din clasa atomilor exotici fac parte și atomii kaonici.

Atomii kaonici

Atomii kaonici sunt o tipologie specială de atomi exotici – și anume cei în care locul electronilor este luat de kaoni. Kaonii sunt particule compuse dintr-un quark și un antiquark, în mod specific dintr-un quark „strange” și unul „up”. Quarcii sunt particule elementare în cadrul Modelului Standard al fizicii moderne și materia normală este alcătuită doar din quarci din așa-numita primă familie – adică quarcii „up” și „down”. Kaonii deci conțin un quark (strange) care nu face parte din materia obișnuită – și studiul lor ne ajută să înțelegem mai bine rolul acestor quarci în Univers. Se presupune că în stelele de neutroni ar putea să se găsească quarci „strange” și că aceștia ar putea inclusiv alcătui parte din materia întunecată (strangelets).

Ce anume se măsoară în atomii kaonici?

Ceea ce se măsoară în atomii kaonici este radiația emisă (raze X) atunci când acești atomi efectuează tranziții atomice de pe nivele de energie înalte pe cele cu energie mai joasă. Când kaonul ajunge pe nivelul fundamental acesta interacționează cu nucleul atât prin interacțiunea electromagnetică cât și prin cea nucleară puternică. Cum cea electromagnetică putem să o calculăm cu mare precizie, rezultă că din diferența între valorile măsurate și cele calculate putem deduce interacțiunea nucleară puternică. Tocmai aceasta este cea care ne interesează.

Atomii kaonici la DAFNE; experimentul SIDDHARTA-2

Pentru studiul atomilor kaonici este în primul rând necesar să producem kaoni. La acceleratorul DAFNE de la Frascati, INFN-LNF, se produc cam 1.000 de kaoni pe secundă. Aceștia sunt folosiți de experimentul SIDDHARTA-2 pentru a forma atomi kaonici și a măsura razele X emise. În timp ce hidrogenul kaonic a fost măsurat în urmă cu circa 10 ani, deuteriul kaonic (deuteriul este un izotop al hidrogenului cu un neutron pe lângă proton în nucleu) nu a putut fi încă măsurat deoarece semnalul este extrem de mic – adică numărul razelor X emise pe oră este circa unu! Cum însă la accelerator sunt multe alte raze X produse de procese care nu au nimic de-a face cu deuteriul kaonic, a găsi razele X generate de atomii kaonici este ca și cum ai căuta un ac în carul de fân. Pentru aceasta, colaborarea internațională SIDDHARTA-2, condusă de una dintre autoarele acestui articol, și din care fac parte și alți români (Florin Sîrghi, coordinator tehnic, Diana Sîrghi, responsabilă cu simulările Monte Carlo, Mario Bragadireanu de la IFIN-HH) a dezvoltat un aparat extrem de complex cu care se vor începe măsurători în luna mai – după optimizarea efectuată în aprilie – ale acestui interesant și important atom exotic.

La ce folosește?

SIDDHARTA-2 va măsura deuteriul kaonic în două etape: o primă măsurătoare până în iulie, și o a doua din septembrie până la sfârșitul lui 2023. Obiectivul este de a obține primul spectru de raze X al deuteriului kaonic. Împreună cu hidrogenul kaonic această măsurătoare ne va ajuta să înțelegem cum quarkul „strange” interacționează cu materia nucleară. Rezultatul este extrem de important atât în fizica particulelor și cea nucleară, precum și în astrofizică – stelele de neutroni și compoziția acestora.

Pentru cine vrea să știe mai mult recomand articolul:

https://researchoutreach.org/articles/new-insights-strong-interaction-strange-exotic-atoms/

Credit imagine: Cătălina Curceanu

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