Ciocnirea stelelor de neutroni dă naștere nucleelor grele, precum cele de aur sau de platină. La ora actuală însă detaliile acestui proces nu sunt bine cunoscute. Un studiu recent al interacțiunii nucleare puternice în nucleele de plumb ne poate ajuta să înțelegem mai bine inclusiv stelele de neutroni.

Stelele de neutroni

Stelele de neutroni sunt ceea ce rămâne dintr-o stea mai mare ca Soarele – însă nu mult mai mare (în acest caz se formează o gaură neagră) atunci când aceasta ajunge la sfârșitul vieții. Adică în interior nu mai pot avea loc reacții de fuziune nucleară care să se opună forței gravitaționale și echilibrul dintre cele două ia sfârșit. În momentul respectiv forța gravitațională domină și în colapsul gravitațional diverse straturi ale stelei se ciocnesc între ele dând naștere unei explozii (supernova); nu însă toată materia stelei este împrăștiată în spațiu – o parte, cea centrală, rămâne și dă naștere așa-numitei stele de neutroni. La ora actuală nu știm încă bine din ce este alcătuită o stea de neutroni – evident conține foarte mulți neutroni (circa 10 la puterea 57) însă pe lângă aceștia în inima stelei ar putea exista și alte particule, precum cele care conțin așa-numitul quark „strange”.  Stelele de neutroni se studiază atât prin observații astrofizice și astronomice, cât și prin undele gravitaționale generate atunci când o stea de neutroni se ciocnește cu o altă stea de neutroni sau cu o gaură neagră, dar și prin studii de fizică nucleară în laboratoarele noastre.

Ciocnirile de stele de neutroni

Stelele de neutroni au o rază în jur de 10 km; atunci când se ciocnesc două stele de acest fel se generează particule cu energie extrem de mare, care pot interacționa între ele la rândul lor – dând naștere nucleelor grele precum cele de aur sau de platină.

Procesul nu este încă pe deplin înțeles și pentru a-l înțelege mai bine este necesară înțelegerea forței nucleare puternice, una dintre cele patru forțe (interacțiuni) din cadrul modelului standard al fizicii particulelor elementare.

Noi rezultate în studiul forței nucleare în nucleele de plumb

Un nou studiu al cărui rezultat a fost recent publicat în revista Nature Physics calculează, cu ajutorul unor programe pe calculator, cât de gros este stratul de neutroni din nucleul de plumb, izotopul care conține 126 de neutroni. Nucleul de plumb studiat este alcătuit din 82 de protoni și 126 de neutroni; acesta conține o parte centrală din protoni și neutroni, învăluită într-un strat exterior de neutroni. Protonii și neutronii se mențin împreună prin interacțiunea nucleară puternică – aceeași care ține neutronii (și eventual alte particule) împreună în stelele de neutroni; diferența între aceste structuri este numărul de particule implicate – în cazul nucleului atomic cel mult câteva sute. Stelele de neutroni mult mai multe: 10 la puterea 57!

Programul pus la punct de cercetători  folosește metode statistice asemănătoare cu cele folosite pentru a se simula răspândirea Coronavirusului. Programul combină rezultate experimentale cu teoria interacțiunii nucleare puternice.

Care au fost rezultatele? De la nuclee la stele!

Calculele efectuate de către cercetători arată cum că învelișul de neutroni al nucleului de plumb este subțire – mai subțire decât se credea. Au fost estimate inclusiv erorile de calcul – ceea ce este foarte important atunci când rezultatele calculului teoretic sunt comparate cu măsurătorile experimentale.  În viitor cercetătorii vor să efectueze calcule asemănătoare și pentru alte nuclee – nu doar cele de plumb. Speranța este de a aplica acest gen de calcule atât la nucleele atomice cât și la stelele de neutroni – având în vedere că ambele sunt compuse din particule care se mențin împreună prin interacțiunea nucleară puternică. Această interacțiune – care are la bază quarkurile și gluonii (echivalentul fotonilor din interacțiunea electromagnetică) nu este încă bine cunoscută – teoria cromodinamicii cuantice (cea care descrie interacțiunea puternică) având încă nevoie atât de noi progrese în teorie și calcule, precum cel despre care am scris, cât și de noi date experimentale, din ce în ce mai precise și la diverse energii pentru particule diferite.

Credit imagine: Dana Berry/Skyworks Digital, Inc./The Kavli Foundation

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