Cercetătorii de la Experimentul SIDDHARTA-2 de la acceleratorul DAFNE (laboratorul italian INFN-LNF de la Frascati) sunt 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, din cauza faptului că semnalul căutat este foarte mic; este 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 quarcuri), 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 sarcina 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 antiprotoni.
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 quarc și un antiquarc, în fapt dintr-un quarc strange și unul up.
Quarcurile sunt particule elementare în cadrul Modelului Standard al fizicii moderne. Materia normală este alcătuită doar din quarcuri din prima familie – adică quarcuri up și down.
Kaonii conțin deci un quark, cel strange, care nu face parte din materia obișnuită. Studiul lor ne ajută să înțelegem mai bine rolul acestor quarcuri în univers. Se presupune că în stelele de neutroni ar putea să se găsească quarcuri 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 nivelurile 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 tare.
Cum interacțiunea electromagnetică poate fi calculată cu mare precizie, rezultă că din diferența între valorile măsurate și cele calculate putem deduce interacțiunea nucleară tare. Este tocmai aceasta cea care ne interesează.
Atomii kaonci 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 (numărul de raze X emise pe oră este circa… una).
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 autoarea acestui articol, și din care fac parte și alți români (Florin Sîrghi, coordonator tehnic, Diana Sîrghi, responsabilă cu simulările Monte Carlo, Mihail Iliescu, responsabil cu sistemul de achiziție de date, Mario Brăgădireanu de la IFIN-HH), a dezvoltat un aparat extrem de complex cu care se vor începe măsurători în luna mai a.c. ale acestui interesant și important atom exotic (după optimizarea efectuată în aprilie).
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 quarcul strânge interacționează cu materia nucleară.
Rezultatul este extrem de important atât în fizica particulelor și cea nucleară, cât și în astrofizică (stelele de neutroni și compoziția acestora).
Pentru cine dorește să afle mai multe recomand articolul New insights into the strong interaction with strange exotic atoms.
