Come ha spiegato Futura qualche mese fa, quest’anno il Cern festeggia i 70 anni dalla discesa nel mondo dell’infinitamente piccolo con il progetto microscopimicroscopi acceleratori di particelle ad alta energia dotati di rilevatori. Si tratta di sondare i misteri delle forze e della materia, in particolare durante il Big BangBig Bang.
Dopo la scoperta dei quark avvenuta quasi 60 anni fa, seguita poco dopo da quella della teoria elettrodebole e della cromodinamica quantistica, fisicifisici capì che circa un milionesimo di secondo dopo il Big Bang, il plasma dei quark e gluonigluonia volte chiamato quagma, che componeva in parte il contenuto delUniversoUniverso primordiale, deve essersi condensato in gocce di liquidoliquido adronico, vale a dire protoniprotoni E neutronineutroni con un bagno di altri adroniadroni transitorio e molto instabile come il mesonimesoni e iperoni.
I fisici di CernCern sapere come ricreare questo evento con collisioni tra ioniioni oggetti pesanti accelerati dal Large Hadron Collider (LHCLHC). I prodotti di queste collisioni e i fenomeni associati vengono studiati utilizzando Alice, uno dei grandi rivelatori giganti dell’LHC. Per anni i ricercatori sono andati alla ricerca di forme di materia lì. esoticoesotico chiamati “ipernuclei”, così come i loro corrispondenti antinuclei, ma che esistono fugacemente una volta sintetizzati, il che spiega perché di solito non vediamo questa forma di materia intorno a noi. Sperano di comprendere meglio non solo i fondamenti della materia adronica, ma anche di trovare indizi per spiegare l’enigma dell’antimateria cosmologica.
Alice studia il plasma di quark e gluoni, uno stato della materia che si ritiene sia esistito subito dopo il Big Bang. ©RTS, ARTE GEIE e Cern
L’antiipernucleo più pesante conosciuto
Sappiamo infatti che secondo l’art fisicofisico conosciute le alte energie, tante particelle di materia quanteantimateriaantimateria i gemelli devono essere esistiti durante il Big Bang per finire per annientarsi a vicenda donandosi fotonifotoni. Evidentemente non è così e sembra che una nuova fisica abbia permesso di produrre un po’ più di materia che di antimateria, ma quale?
I membri della collaborazione Alice hanno pubblicato online, su arXiv, un articolo accompagnato da un comunicato stampa del Cern per annunciare di essere riusciti a produrre e scoprire nuovi ipernuclei e antiipernuclei. Ma di cosa si tratta esattamente?
Per scoprirlo, torniamo un po’ indietro. Fu proprio all’inizio degli anni ’30 che Werner Heisenberg propose il concetto moderno di nucleo di atomiatomi composto da protoni e neutroni. Allora conoscevamo solo queste particelle e elettronielettroni e il loro antiparticelleantiparticelle durante questo decennio, che vide Robert Oppenheimer e i suoi studenti gettare le basi della teoria dell’ stelle di neutronistelle di neutroni E buchi neribuchi neri.
Tuttavia, abbiamo cominciato a sospettare l’esistenza di neutrinineutrini e cugini massicci di fotoni che “incollano” insieme protoni e neutroni nei nuclei, vale a dire i pioni Yukawa. Fu solo dagli anni Quaranta agli anni Sessanta che a onda di mareaonda di marea sorgeranno nuove particelle subatomiche che porteranno all’immagine moderna della materia leptonileptoni e adroni.
Adroni, leptoni, mesoni, iperoni… e tutto il resto
Ricordiamo anche che fu il fisico russo Lev Okun a proporre, nel 1962, di chiamare adroni l’insieme delle particelle sensibili alle forze nucleari forti tra protoni e neutroni. Dalla parola greca hadrosche significa più o meno largo e pesante, contrappose il nome lepton, dal greco λεπτός / lepto (“luce”), piccolo e leggero, usato per descrivere elettroni e neutrini. Questa scelta era logica poiché un protone, come un neutrone, è quasi 2.000 volte più pesante di un elettrone e notevolmente più pesante dei neutrini.
Le particelle adroniche di massemasse intermedi tra quelli degli elettroni e dei protoni venivano chiamati mesoni, altra parola che qui viene dal greco medio che significa “il mezzo, la giusta misura”.
Vengono chiamate particelle adroniche pesanti quanto, o anche più pesanti, i protoni e i neutroni barionibarionisempre per via del greco e in questo caso barysche significa “pesante”.
Lo zoo degli adroni fu spiegato durante gli anni ’60 e ’70 con lo sviluppo e la scoperta della teoria dei quark e divenne chiaro che i mesoni erano coppie di quark e antiquark, mentre i barioni erano triplette. Tra queste terzine, alcune sono state scoperte in raggi cosmiciraggi cosmici e sono più pesanti dei protoni e dei neutroni, motivo per cui furono logicamente chiamati iperoni.
Il termine fu coniato dal fisico francese Louis Leprince-Ringuet nel 1953 e annunciato per la prima volta alla conferenza sui raggi cosmici a Bagnères-de-Bigorre. È interessante notare che già nel 1952 i fisici Danysz e Pniewski scoprirono anche nei raggi cosmici una classe di nuclei chiamati ipernuclei o iperframmenti. Avevano dimostrato che si trattava di nuclei in cui un protone o un neutrone era stato sostituito da un iperone.
Una tabella di Mendeleev per gli ipernuclei
Da allora sono stati studiati gli ipernuclei e gli iperoni, ed è noto che gli iperoni sono particelle instabili che contengono almeno un quark stranoquark stranoma nessun bel quark o quark incantatoquark incantato. Create fugacemente in un acceleratore, queste particelle dovrebbero esistere all’interno delle stelle di neutroni, dove può esistere anche un plasma di quark e gluoni.
Durante le collisioni effettuate nel contesto della fisica nucleare o della fisica delle particelle si possono creare anche iperoni. Dal momento che sono sensibili a punti di forza delle interazionipunti di forza delle interazionipossono essere inglobati in un nucleo per dare ipernuclei, caratterizzati da un numero di cariche elettriche Z, ma anche da un’altra numero quanticonumero quantico S, stranezza, trasportata dal quark strano presente nell’iperone.
Avevamo quindi da tempo individuato nuclei esotici di questo tipo, che estendevano in un certo modo il Il dipinto di MendeleevIl dipinto di Mendeleev.
Infatti, come ha spiegato Futura in un precedente articolo, il 23 agosto 2023, durante la conferenza della European Physical Society sulla fisica delle alte energie (EPS-HEP), la collaborazione LHCb, utilizzando un altro rilevatore gigante con LHC, ha annunciato la sua prima osservazione di ipertritoni e antiipertritoni.
Gli ipertritoni prendono il nome dal fatto di cui sono analoghi isotopiisotopi delidrogenoidrogeno quali sono i nuclei di triziotriziocioè con un protone e due neutroni. Ma nel caso presente uno dei neutroni o degli antineutroni viene sostituito da un iperone o da un antiiperone Λ.
Antiiperelio-4 a base di antilambda
Possiamo ora comprendere ciò che la collaborazione Alice ha annunciato all’LHC, ovvero la primissima osservazione del nucleo dell’antiperelio-4, che è composto da due antiprotoniantiprotoniun antineutrone e un antilambda. È anche l’ipernucleo di antimateria più pesante mai osservato all’LHC.
Il comunicato del Cern spiega che la scoperta si basa su “ dati sull’incidente GuidaGuida-piombo prelevato nel 2018 ad un’energia di 5,02 teraelettronvolt (TeV) per ogni coppia di nucleoninucleoni in collisione (protoni e neutroni). Utilizzando una tecnica di apprendimento automatico che supera le tecniche convenzionali di ricerca dell’ipernucleo, i ricercatori Alice hanno esaminato i dati per rilevare segnali dall’iperidrogeno-4 (composto da un antiprotone, due antineutroni e un antilambda), dall’iperelio-4 e dai loro partner antimateria. I candidati per (anti)iperidrogeno-4 sono stati identificati ricercando il nucleo di (anti)elioelio-4 e il pione carico in cui decade, mentre i candidati per l'(anti)iperelio-4 sono stati identificati attraverso il suo decadimento in un nucleo (anti)elio-3, un (anti)protone e una pedina carica ».
Il Cern spiega infine che “ I ricercatori hanno anche determinato i rapporti di resa antiparticella/particella per i due ipernuclei e hanno scoperto che concordavano con l’unità, tenendo conto delle incertezze sperimentali. Questa corrispondenza è coerente con le osservazioni di Alice sull’eguale produzione di materia e antimateria alle energie dell’LHC e si aggiunge alla ricerca in corso sullo squilibrio materia-antimateria nell’Universo. ».
