Un enigma in corso della fisica nucleare

Nel campo della fisica nucleare, i ricercatori si confrontano costantemente con misteri che sfidano la nostra comprensione dell’universo. Uno di questi misteri riguarda l’elio, un elemento semplice ma sconcertante. Nonostante la sua presenza onnipresente nell’universo e la sua struttura nucleare apparentemente semplice, l’elio continua a sollevare questioni fondamentali sulla natura delle forze nucleari. Di recente, uno studio dell’Università Johannes Gutenberg di Magonza ha gettato nuova luce su questo mistero. I ricercatori sono stati in grado di osservare il comportamento atipico di protoni e neutroni nei nuclei di elio con una precisione senza precedenti. Il loro lavoro è stato pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica.

Una sfida alla teoria consolidata

L’elio, il secondo elemento più abbondante nell’universo, è un gas nobile incolore, inodore e insapore. È noto per la sua apparente semplicità, avendo due protoni e due neutroni nel suo nucleo. Per osservare con successo il comportamento di queste particelle, gli autori hanno condotto un esperimento innovativo. Hanno diretto un raggio di elettroni verso un contenitore pieno di atomi di elio. L’urto degli elettroni ha eccitato i nuclei di elio, facendoli espandere temporaneamente, un fenomeno paragonabile all’inalazione di un torace gonfio.

Tuttavia, l’interazione dei protoni e dei neutroni nel nucleo di elio con questo fascio di elettroni ha rivelato una sorpresa. Invece di comportarsi come previsto dalla teoria, queste particelle hanno interagito in modi radicalmente diversi. Questa discrepanza non è dovuta a incertezza sperimentale, ma indica piuttosto una lacuna nella nostra comprensione della fisica delle basse energie. Evidenzia quanto poco sappiamo delle interazioni nucleari tra le particelle.

spazio da esplorare

La discrepanza tra teoria ed esperimento è diventata evidente nel 2013, dopo i calcoli guidati da Sonia Baca. Prodotto presso l’acceleratore di particelle Canadian National TRIUMF. Baca e il suo team hanno utilizzato metodi avanzati per modellare il comportamento di protoni e neutroni nell’elio eccitato. I loro risultati, che si discostavano notevolmente dai dati sperimentali, hanno rivelato una significativa incoerenza.

Per valutare l’effetto dell’incertezza sperimentale sulla differenza osservata, Simon Kegel e il suo team hanno condotto un esperimento più rigoroso. Il loro obiettivo era determinare la vera origine di questa discrepanza. Per fare ciò, hanno utilizzato l’acceleratore di elettroni MAMI dell’università. È uno strumento sofisticato per lo studio delle interazioni tra particelle.

Quindi il team ha diretto un raggio di elettroni verso un contenitore pieno di atomi di elio. L’impatto degli elettroni ha eccitato i nuclei di elio. Li mettono in uno stato specifico noto come monopolare equilatero. In questo caso il nucleo di elio si comporta come una sfera che si espande e si contrae. Ma conserva la sua simmetria sferica.

Per illustrare questo fenomeno, Sonia Baca ha fatto un’analogia in un comunicato stampa: “ Immagina il nucleo come una sfera che cambia raggio e si espande e si contrae, pur mantenendo la simmetria sferica Questa descrizione fornisce un quadro chiaro della dinamica complessa in un nucleo di elio, soggetto all’eccitazione di un fascio di elettroni.

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Verso una nuova comprensione dell’elio?

La fonte esatta della discrepanza tra teoria ed esperimento rimane un mistero per gli scienziati. Sonia Baca ha ipotizzato che questa discrepanza possa essere dovuta a ” Elementi di interazione mancanti o scarsamente calibrati Nella nostra attuale comprensione delle forze nucleari. È un suggerimento che, se confermato, potrebbe avere profonde implicazioni per la fisica nucleare.

Nella speranza di risolvere questo mistero, i ricercatori attendono con impazienza la messa in servizio del nuovo Mainz Superconducting Energy Accelerator (MESA) nel 2024. Questo acceleratore produrrà fasci di elettroni di intensità molto maggiore rispetto all’attuale acceleratore. Ma funzionerà comunque alle basse energie necessarie per questo tipo di esperimento. Questo approccio contrasta con quello di acceleratori come il Large Hadron Collider. Quest’ultimo cerca di raggiungere energie molto più elevate per scoprire nuove particelle esotiche.

Tuttavia, nonostante questa differenza di approccio, l’acceleratore MESA potrebbe svolgere un ruolo importante nella risoluzione del puzzle dell’elio. I fasci di elettroni di maggiore intensità che produrrà consentiranno misurazioni più accurate. Offriranno ai ricercatori una visione più dettagliata dei limiti di bassa energia del modello standard.

Ricordiamo che il Modello Standard è la teoria che descrive le particelle elementari e le loro interazioni. È composto da sei quark, sei leptoni, le quattro forze fondamentali (gravità, elettromagnetismo, forza forte e forza debole) e le loro particelle di forza associate. Sebbene abbia avuto molto successo nello spiegare i fenomeni osservati, non comprende la gravità o la materia oscura. I nuovi dati potrebbero essere la chiave per risolvere il puzzle della variazione osservata nei nuclei di elio.

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Fonte: S. Kegel et al.”Misurazione della teoria del fattore di forma della transizione unipolare α: è un puzzle a bassa energia per le forze nucleari?“, Fis. Rev. Litt. 130, 152502