Circa 20 anni fa, B. Alex Brown della Michigan State University ha avuto l’idea di rivelare intuizioni su una forza fondamentale ma enigmatica all’opera in alcuni degli ambienti più estremi dell’universo.
Questi ambienti includono il nucleo di un atomo e corpi celesti noti come stelle di neutroni, entrambi tra gli oggetti più densi conosciuti dall’umanità. Per fare un confronto, replicare la densità di una stella di neutroni richiederebbe di comprimere tutta la massa della Terra in uno spazio delle dimensioni di uno stadio di calcio.
La teoria di Brown ha posto le basi per collegare le proprietà dei nuclei alle stelle di neutroni, ma costruire quel ponte con gli esperimenti sarebbe stato impegnativo. Ci sarebbero voluti anni e le capacità uniche del Thomas Jefferson National Accelerator Facility. La struttura, nota anche come Jefferson Lab, è un Dipartimento di Scienze dell’Energia degli Stati Uniti, o DOE-SC, laboratorio nazionale in Virginia.
Così gli sperimentatori hanno iniziato a lavorare su una serie di studi decennali e Brown è tornato in gran parte ai suoi altri progetti.
Cioè, fino al 2017. È stato allora che ha detto che ha iniziato a pensare ai bellissimi esperimenti di precisione condotti dal gruppo del suo collega Kei Minamisono presso il National Superconducting Cyclotron Laboratory, o NSCL, e èresso la Facility for Rare Isotope Beams, o FRIB. FRIB è una struttura per utenti DOE-SC presso MSU che inizierà l’attività degli utenti scientifici all’inizio del 2022.
“È incredibile come ti vengano nuove idee”, ha detto Brown, professore di fisica al FRIB e al Dipartimento di Fisica e Astronomia della MSU. L’obiettivo di questa nuova idea era lo stesso della sua teoria precedente, ma potrebbe essere testata utilizzando i cosiddetti “nuclei specchio” per fornire un percorso più rapido e semplice verso la destinazione.
Infatti il team ha pubblicato un articolo sulla rivista Physical Review Letters basato sui dati di un esperimento che ha richiesto alcuni giorni per essere eseguito. Questo arriva sulla scia di nuovi dati dagli esperimenti del Jefferson Lab.
“E ‘abbastanza incredibile”, ha affermato Brown. “Puoi fare esperimenti che richiedono alcuni anni per essere eseguiti ed esperimenti che richiedono alcuni giorni e ottenere risultati molto simili”.
Per essere chiari, gli esperimenti in Michigan e Virginia non sono in competizione. Piuttosto, Krishna Kumar, membro ed ex presidente della Jefferson Lab Users Organization, ha definito gli esperimenti “meravigliosamente complementari“.
“Un confronto dettagliato di queste misurazioni ci consentirà di testare le nostre ipotesi e aumentare la robustezza del collegamento tra la fisica dei nuclei molto piccoli e la fisica delle stelle di neutroni molto grandi“, ha affermato Kumar, che è anche professore di Fisica presso l’Università del Massachusetts Amherst. “I progressi compiuti sia nell’esperimento che nella teoria su questo ampio argomento sottolineano l’importanza e l’unicità delle capacità di Jefferson Lab e NSCL e il futuro porterà più esempi di questo tipo man mano che nuove misurazioni verranno eseguite presso il FRIB“.
Questi progetti sottolineano anche l’importanza che teorici e sperimentali lavorino insieme, specialmente quando si affrontano i misteri fondamentali dell’universo. È stato questo tipo di collaborazione che ha dato il via agli esperimenti del Jefferson Lab 20 anni fa, ed è questo tipo di collaborazione che alimenterà le future scoperte al FRIB.
Uno specchio per esaminare la pelle di neutroni
Una delle ironie qui è che Brown non ha passato molto del suo tempo a lavorare sulle due teorie centrali di questa storia. Brown ha pubblicato più di 800 articoli scientifici durante la sua carriera e quelli che hanno ispirato gli esperimenti presso NSCL e Jefferson Lab sono distinti dagli altri suoi lavori.
“Lavoro su molte cose e questi sono documenti molto isolati“, ha detto Brown. Nonostante ciò, Brown li ha condivisi rapidamente. “Ho scritto entrambi i documenti in un paio di mesi“.
Quando Brown ha completato la bozza della sua teoria del 2017, l’ha immediatamente condivisa con Minamisono. L’eccitazione del collega derivava dalla consapevolezza di Minamisono che il suo team avrebbe potuto condurre gli esperimenti per testare le idee del documento e dalle implicazioni della teoria per il cosmo. “Questo si collega alle stelle di neutroni e questo è così eccitante come sperimentatore“, ha detto Minamisono.
Le stelle di neutroni sono più massicce del nostro Sole, ma sono grandi solo quanto l’isola di Manhattan. I ricercatori possono effettuare misurazioni accurate per la massa delle stelle di neutroni, ma ottenere numeri esatti per i loro diametri è difficile.
Una migliore comprensione della spinta e dell’attrazione delle forze all’interno delle stelle di neutroni migliorerebbe queste stime delle dimensioni, ed è qui che entra in gioco la fisica nucleare.
Una stella di neutroni nasce quando una stella molto grande diventa una supernova ed esplode, lasciandosi dietro un nucleo ancora più massiccio del nostro Sole. La gravità di questo enorme residuo lo fa crollare su se stesso. Quando collassa, la stella inizia anche a convertire la sua materia, la sostanza che la compone, in neutroni. Quindi, ecco una “stella di neutroni”.
C’è una forza tra i neutroni, nota come interazione forte, che agisce contro la gravità e aiuta a frenare il collasso. Questa forza è in azione anche nei nuclei atomici, che sono costituiti da neutroni e particelle note come protoni.
“Conosciamo la gravità, ovviamente. Non c’è nessun problema su questo“, ha detto Brown. “Ma non siamo così sicuri di quale sia l’interazione forte per i neutroni puri. Non c’è nessun laboratorio sulla Terra che abbia neutroni puri, quindi facciamo inferenze dalle cose che vediamo nei nuclei che hanno sia protoni che neutroni”.
Nei nuclei atomici, i neutroni sporgono un pochino, formando un sottile strato di soli neutroni che si estende oltre i protoni. Questa è chiamata pelle di neutroni. La misurazione della pelle di neutroni consente ai ricercatori di conoscere la forza forte e, per estensione, le stelle di neutroni.
Negli esperimenti del Jefferson Lab, i ricercatori hanno inviato elettroni a sfrecciare contro i nuclei di piombo e calcio. Sulla base di come gli elettroni si disperdono o deviano dai nuclei, gli scienziati potrebbero calcolare i limiti superiore e inferiore per le dimensioni della pelle di neutroni.
Per gli esperimenti NSCL, il team aveva bisogno di misurare quanto spazio occupano i protoni in uno specifico nucleo di nichel. Questo è chiamato raggio di carica. In particolare, il team ha esaminato il raggio di carica del nichel-54, un nucleo di nichel o un isotopo con 26 neutroni (tutti gli isotopi di nichel hanno 28 protoni e quelli con 26 neutroni sono chiamati nichel-54 perché i due numeri si sommano a 54).
La particolarità del nichel-54 è che gli scienziati conoscono già il raggio di carica del suo nucleo specchio, il ferro-54, un nucleo di ferro con 26 protoni e 28 neutroni.
“Un nucleo ha 28 protoni e 26 neutroni. Per l’altro, il rapporto è capovolto“, ha detto Skyy Pineda, autore principale del nuovo documento di ricerca. Sottraendo i raggi di carica, i ricercatori rimuovono efficacemente i protoni e rimangono con quel sottile strato di neutroni. “Se prendi la differenza dei raggi di carica dei due nuclei, il risultato è la pelle di neutroni“, ha detto Pineda.
Per misurare il raggio di carica del nichel-54, il team si è rivolto al suo impianto di Beam Cooler e Spettroscopia laser, abbreviato BECOLA. Usando BECOLA, gli sperimentatori sovrappongono un raggio di isotopi di nichel-54 con un raggio di luce laser. In base a come la luce interagisce con il fascio di isotopi, possono misurare il raggio di carica del nichel.
Usando la precedente teoria di Brown, gli scienziati del Jefferson Lab avevano bisogno dell’ordine di un sestilione di elettroni per una misurazione, o un trilione di miliardi di particelle. Utilizzando la nuova teoria, i ricercatori hanno invece bisogno di migliaia, forse milioni di nuclei. Ciò significa che le misurazioni che una volta richiedevano anni possono essere sostituite con esperimenti che richiedono giorni.
Un futuro di scoperte costruito su una storia di lavoro di squadra
Questa nuova ricerca sembra il passaggio di un testimone in un paio di modi. Per prima cosa, gli esperimenti del Jefferson Lab stanno entrando nella loro fase finale, mentre FRIB è pronta a continuare l’esplorazione. La stessa FRIB rappresenta un’altra tappa della staffetta. BECOLA ha iniziato a funzionare a NSCL e continuerà a funzionare a FRIB.
Ogni tappa si basa sull’ultima e sul lavoro collettivo che i ricercatori hanno svolto insieme.
Ancora una volta, quella formula non è una novità. È ciò che ha permesso a un teorico della NSCL di ispirare e informare gli esperimenti in un laboratorio di livello mondiale in Virginia. Ciò che spicca su NSCL e FRIB, tuttavia, è che le strutture per gli utenti sono collegate a un’università, consentendo ai veterani e alla prossima generazione di ricercatori di interagire e condividere idee molto prima.
“MSU è l’unico ad aver avuto NSCL e ora FRIB. Nella maggior parte dei casi, laboratori come questi non sono integrati in un campus universitario“, ha affermato Kristian Koenig, ricercatore post-dottorato nel team di Minamisono e co-autore del nuovo documento. “Dà a tutti una grande opportunità“.
