Într-un articol publicat recent în Physical Letters B, un grup de cercetători din care face parte și una dintre autoarele acestui articol, a prezentat rezultatul unui nou experiment care a studiat particula misterioasă: Lambda (1405) –  particulă care conține quarkul „strange” (straniu), arătând cum aceasta este de fapt un sistem alcătuit din două particule legate între ele, un kaon și un proton. 

Lambda (1405)

Se discuta de zeci de ani care ar putea fi structura acestei „particule”, așa-numita Lambda (1405), particulă care a fost observată în mai multe experimente, însă a cărei structuri nu este încă înțeleasă. Se știe că conține quarkul strange (straniu), un quark – particulă elementară – din Modelul Standard care este de circa 20 de ori mai greu (adică cu masă mai mare) decât quarkurile „up” și „down” din care este compusă materia normală – adică nucleele atomilor formate din protoni și neutroni. În ciuda faptului că Lambda (1405) a fost observată în mai multe experimente nu se cunoaște încă bine compoziția acestei particule. Să vedem deci care sunt posibilele ipoteze: Lambda (1405) ar putea să fie o particulă asemănătoare protonilor și neutronilor – adică compusă din trei quarkuri – unul dintre aceștia fiind cel „strange”. S-ar putea însă ca Lambda (1405) să fie de fapt un sistem alcătuit din două particule legate între ele – un kaon (compus la rândul lui dintr-un quark și un antiquark, în mod specific din quarkul „strange” și antiquarkul „up”) și un proton (alcătuit din două quarkuri „up” și unul „down”).

Un nou experiment: E31 în Japonia

Pentru a se înțelege mai bine compoziția particulei Lambda un grup de cercetători care provin din diverse institute din întreaga lume, condus de către Hiroyuki Noumi de la Osaka University din Japonia, grup din care face parte și INFN Laboratori Nazionali di Frascati din Italia condus de Cătălina Curceanu, una dintre autoarele acestui articol, a propus și efectuat un experiment, E31, la laboratorul J-PARC din Japonia. E31 a bombardat cu un fascicol de kaoni o țintă compusă din deuteriu – un izotop al hidrogenului care conține în nucleu un proton și un neutron. Kaonii interacționând cu deuteriul au rupt legătura dintre proton și neutron, înlocuind practic neutronul – interacționând cu protonul, dând naștere unei particule Lambda (1405). Lambda (1405) are o viață foarte scurtă dezintegrându-se practic imediat în alte particule care au fost măsurate de experiment. Din măsurarea acestor particule s-au putut reconstrui proprietățile particulei Lambda (1405), precum masa.

La ce concluzie a ajuns E31?

Ce este deci Lambda (1405)? În urma analizei datelor obținute de către experiment, grupul de cercetători a ajuns la concluzia că cel mai probabil Lambda este un sistem legat, și nu o particulă compusă din trei quarkuri. Un sistem legat între un kaon și un proton care are o masă de circa 1417 MeV (deci nu 1405 cum se credea). Este un rezultat important, care a fost publicat recent într-un articol în revista Phys. Lett. B.

La ce folosește?

Interacțiunea nucleară puternică, cea care are loc între quarkuri, nu este încă bine cunoscută. Teoria care o descrie, cromodinamica cuantică, este o teorie care are nevoie atât de rezultate experimentale, cât și de noi modele matematice. Această interacțiune este cea care are loc și în inima stelelor, precum stelele de neutroni – stele extrem de dense (o linguriță de stea de neutroni cântărește cât un munte). Există teorii care susțin că în inima stelelor de neutroni – în condiții de densitate extremă – ar putea să apară particule cu quarkuri strange. Măsurători precum cea efectuată de E31 ajută la înțelegerea interacțiunii dintre materia „normală” și cea stranie, ducându-ne cu un pas înainte spre dezlegarea misterului stelelor de neutroni, dar și a materiei nucleare în condiții extreme.

Credit imagine: Hiroyuki Noumi

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