La mayoría de la materia ordinaria se mantiene unida por un pegamento subatómico invisible conocido como la fuerza nuclear fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza, junto con la gravedad, el electromagnetismo y la fuerza débil. La fuerza nuclear fuerte es responsable del impulsoy tirar entre protones y neutrones en el núcleo de un átomo, lo que evita que un átomo se colapse sobre sí mismo.
En los núcleos atómicos, la mayoría de los protones y neutrones están lo suficientemente separados como para que los físicos puedan predecir con precisión sus interacciones. Sin embargo, estas predicciones son cuestionadas cuando las partículas subatómicas están tan cerca como para estar prácticamente una encima de la otra.
Si bien tales interacciones de distancia ultracorta son raras en la mayoría de la materia en la Tierra, definen los núcleos de las estrellas de neutrones y otros objetos astrofísicos extremadamente densos. Desde que los científicos comenzaron a explorar la física nuclear, han luchado por explicar cómo se desarrolla la fuerza nuclear fuertea distancias tan cortas
Ahora los físicos en el MIT y en otros lugares han caracterizado por primera vez la fuerza nuclear fuerte y las interacciones entre protones y neutrones, a distancias extremadamente cortas.
Realizaron un extenso análisis de datos en experimentos previos de aceleración de partículas y descubrieron que a medida que la distancia entre protones y neutrones se acorta, se produce una sorprendente transición en sus interacciones. Donde a grandes distancias, la fuerza nuclear fuerte actúa principalmente para atraer un protónpara un neutrón, a distancias muy cortas, la fuerza se vuelve esencialmente indiscriminada: pueden ocurrir interacciones no solo para atraer un protón a un neutrón, sino también para repeler o separar pares de neutrones.
"Esta es la primera mirada muy detallada sobre lo que le sucede a la fuerza nuclear fuerte a distancias muy cortas", dice Or Hen, profesor asistente de físico en el MIT. "Esto tiene enormes implicaciones, principalmente para las estrellas de neutrones y también para la comprensiónde los sistemas nucleares en su conjunto "
Hen y sus colegas han publicado sus resultados en la revista Naturaleza . Sus coautores incluyen al primer autor Axel Schmidt PhD '16, un ex estudiante de posgrado y postdoctorado, junto con el estudiante de posgrado Jackson Pybus, el estudiante de pregrado Adin Hrnjic y colegas adicionales del MIT, la Universidad Hebrea, la Universidad de Tel-Aviv, OldDominion University y miembros de CLAS Collaboration, un grupo multiinstitucional de científicos involucrados con el Espectrómetro de Acelerador Grande CEBAF CLAS, un acelerador de partículas en el Laboratorio Jefferson en Newport News, Virginia.
captura de estrella
Las interacciones de ultra corta distancia entre protones y neutrones son raras en la mayoría de los núcleos atómicos. La detección de ellas requiere la acumulación de átomos con una gran cantidad de electrones de energía extremadamente alta, una fracción de la cual podría tener la posibilidad de expulsar un par de nucleonesprotones o neutrones que se mueven a gran velocidad, una indicación de que las partículas deben estar interactuando a distancias extremadamente cortas.
"Para hacer estos experimentos, necesitas aceleradores de partículas increíblemente altos", dice Hen. "Es solo recientemente donde tenemos la capacidad de detección y entendemos los procesos lo suficientemente bien como para hacer este tipo de trabajo".
Hen y sus colegas buscaron las interacciones mediante la extracción de datos recopilados previamente por CLAS, un detector de partículas del tamaño de una casa en el Laboratorio Jefferson; el acelerador JLab produce haces de electrones sin precedentes de alta intensidad y alta energía. El detector CLAS estuvo operativo desde 1988hasta 2012, y los resultados de esos experimentos han estado disponibles para que los investigadores busquen otros fenómenos enterrados en los datos.
En su nuevo estudio, los investigadores analizaron una gran cantidad de datos, que ascendieron a unos cuatro mil millones de electrones golpeando núcleos atómicos en el detector CLAS. El haz de electrones estaba dirigido a láminas hechas de carbono, plomo, aluminio y hierro, cada una con átomos derelaciones variables de protones a neutrones. Cuando un electrón colisiona con un protón o neutrón en un átomo, la energía a la que se dispersa es proporcional a la energía y el momento del nucleón correspondiente.
"Si sé qué tan fuerte pateé algo y qué tan rápido salió, puedo reconstruir el impulso inicial de lo que fue pateado", explica Hen.
Con este enfoque general, el equipo observó a través de las colisiones de miles de millones de electrones y logró aislar y calcular el momento de varios cientos de pares de nucleones de alto momento. Hen compara estos pares con "gotas de estrellas de neutrones", como su momento, y sula distancia inferida entre sí es similar a las condiciones extremadamente densas en el núcleo de una estrella de neutrones.
Trataron cada par aislado como una "instantánea" y organizaron varios cientos de instantáneas a lo largo de una distribución de impulso. En el extremo inferior de esta distribución, observaron una supresión de pares protón-protón, lo que indica que la fuerza nuclear fuerte actúa principalmente paraatraer protones a los neutrones en un momento intermedio alto y distancias cortas.
Más adelante en la distribución, observaron una transición: parecía haber más protón-protón y, por simetría, pares de neutrones-neutrones, lo que sugiere que, en un momento más alto o distancias cada vez más cortas, la fuerza nuclear fuerte actúa no solo enprotones y neutrones, pero también en protones y protones y neutrones y neutrones. Se entiende que esta fuerza de emparejamiento es de naturaleza repulsiva, lo que significa que a distancias cortas, los neutrones interactúan al repelerse fuertemente.
"Esta idea de un núcleo repulsivo en la fuerza nuclear fuerte es algo arrojado como esta cosa mítica que existe, pero no sabemos cómo llegar allí, como este portal desde otro reino", dice Schmidt. "Y ahoratenemos datos donde esta transición nos está mirando a la cara, y eso fue realmente sorprendente ".
Los investigadores creen que esta transición en la fuerza nuclear fuerte puede ayudar a definir mejor la estructura de una estrella de neutrones. Hen encontró previamente evidencia de que en el núcleo externo de las estrellas de neutrones, los neutrones se emparejan principalmente con protones a través de la fuerte atracción.En el estudio, los investigadores han encontrado evidencia de que cuando las partículas se empaquetan en configuraciones mucho más densas y se separan por distancias más cortas, la fuerza nuclear fuerte crea una fuerza repulsiva entre los neutrones que, en el núcleo de una estrella de neutrones, ayuda a evitar que la estrella se colapse sobre sí misma.
Menos de una bolsa de quarks
El equipo hizo dos descubrimientos adicionales. Por un lado, sus observaciones coinciden con las predicciones de un modelo sorprendentemente simple que describe la formación de correlaciones de corto alcance debido a la fuerte fuerza nuclear. Por otro lado, contra las expectativas, el núcleo de una estrella de neutrones puedeser descrito estrictamente por las interacciones entre protones y neutrones, sin necesidad de explicar explícitamente las interacciones más complejas entre los quarks y los gluones que forman los nucleones individuales.
Cuando los investigadores compararon sus observaciones con varios modelos existentes de la fuerza nuclear fuerte, encontraron una coincidencia notable con las predicciones de Argonne V18, un modelo desarrollado por un grupo de investigación en el Laboratorio Nacional de Argonne, que consideró 18 formas diferentes en que los nucleones pueden interactuar,ya que están separados por distancias cada vez más cortas.
Esto significa que si los científicos desean calcular las propiedades de una estrella de neutrones, Hen dice que pueden usar este modelo particular de Argonne V18 para estimar con precisión las fuertes interacciones de la fuerza nuclear entre pares de nucleones en el núcleo. Los nuevos datos también pueden usarse paraenfoques alternativos de referencia para modelar los núcleos de las estrellas de neutrones.
Lo que los investigadores encontraron más emocionante fue que este mismo modelo, como está escrito, describe la interacción de los nucleones a distancias extremadamente cortas, sin tener en cuenta explícitamente los quarks y los gluones. Los físicos suponían que en entornos extremadamente densos y caóticos, comoLos núcleos de estrellas de neutrones, las interacciones entre neutrones deberían dar paso a las fuerzas más complejas entre quarks y gluones. Debido a que el modelo no tiene en cuenta estas interacciones más complejas, y debido a que sus predicciones a distancias cortas coinciden con las observaciones del equipo, Hen dice que es probable queEl núcleo de una estrella de neutrones se puede describir de una manera menos complicada.
"La gente asumió que el sistema es tan denso que debería considerarse como una sopa de quarks y gluones", explica Hen. "Pero encontramos que incluso en las densidades más altas, podemos describir estas interacciones usando protones y neutrones; parecenpara mantener sus identidades y no convertirse en esta bolsa de quarks. Por lo tanto, los núcleos de las estrellas de neutrones podrían ser mucho más simples de lo que la gente pensaba. Esa es una gran sorpresa ".
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Oficina de Física Nuclear en la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :