Sono i protoni responsabili della componente più energetica del cuore delle stelle di neutroni. Lo studio, riportato il 13 agosto sulla rivista scientifica Nature, è stato ottenuto in laboratorio grazie alle osservazioni dell’esperimento CLAS all’acceleratore CEBAF del Jefferson Lab, negli Stati Uniti, con il contributo dei ricercatori italiani dell’INFN.
Il nucleo atomico è costituito dai nucleoni (protoni e neutroni). Il modello universalmente usato per descriverlo, chiamato a shell, prevede il riempimento di livelli energetici successivi in modo indipendente per neutroni e protoni via via che il numero atomico (dato dalla somma di protoni e neutroni) aumenta. Questa semplice descrizione rende conto della maggior parte della dinamica del nucleo. Tuttavia, recentemente, è stato provato che circa il 20% dei nucleoni non vivono in modo indipendente nelle loro shell, ma interagiscono tra loro formando delle coppie il cui comportamento non è descritto dal modello a shell. La configurazione preferita è quella di coppie protone-neutrone, e i nucleoni della coppia correlata, interagendo, hanno mediamente maggiore energia cinetica di quella caratteristica della shell di riferimento.
In alcune condizioni estreme, come quelle che si incontrano nelle stelle di neutroni, dove il numero di protoni è solo il 5-10% del totale dei nucleoni, la dinamica dei nuclei viene di solito descritta facendo solo riferimento ai neutroni, ignorando i protoni. Ma capire, per esempio, se nei nuclei asimmetrici (in cui il numero di neutroni è maggiore di quello dei protoni), il numero di coppie correlate (e quindi di energia più elevata) aumenti, diminuisca o resti costante è importante perché, se fosse costante, ciò implicherebbe che una frazione significativa dell’energia nel nucleo è portata dai protoni e che il loro ruolo, quindi, non può essere trascurato. L’esperimento CLAS impiega elettroni di alta energia (5 GeV, miliardi di elettronvolt) prodotti dall’acceleratore CEBAF per colpire nuclei diversi, come i nuclei di carbonio, ferro e piombo, con numero di nucleoni e asimmetria neutroni-protoni via via crescente. Quando nella collisione con un nucleo l’elettrone colpisce una coppia correlata, sbalza dal nucleo i due nucleoni. Nell’esperimento, è stato possibile selezionare per la prima volta quegli eventi in cui si sono rivelati un neutrone e un protone contemporaneamente entrambi di alto impulso, e quindi provenienti da coppie protone-neutrone interagenti.
“Grazie a queste osservazioni, – spiega Marco Battaglieri, della sezione INFN di Genova che lavora a CLAS e ha preso parte allo studio – è stato mostrato che, mentre il numero di neutroni a basso impulso, ben descritti dal modello a shell, emessi dal nucleo nell’interazione con l’elettrone cresce per nuclei via via più asimmetrici, il numero di neutroni di alto impulso rimane pressoché costante”. “Ciò significa, – prosegue Battaglieri – che il numero di protoni di alto impulso cresce man mano che si considerano nuclei sempre più asimmetrici”. “La conclusione che si può trarre, quindi, è che la percentuale di protoni di alto impulso nei nuclei cresce con la densità di neutroni e, di conseguenza, l’energia cinetica media dei neutroni diminuisce in nuclei ricchi di neutroni a favore dell’energia portata dai protoni”, conclude Battaglieri.
Queste osservazioni sono, dunque, rilevanti per la comprensione di quei sistemi astrofisici estremi, come le stelle di neutroni, in cui il numero di protoni, pur essendo minoritario, si dimostra così responsabile della parte più energetica al suo cuore.
Al Jefferson Lab lavorano circa 70 ricercatori di 11 strutture INFN, tra Sezioni e Laboratori Nazionali, riuniti nella collaborazione JLAB12. I fisici dell’INFN ricoprono ruoli di responsabilità e coordinano la realizzazione di importanti sistemi di rivelazione e di identificazione delle particelle cariche e della nuova infrastruttura per lo studio della materia oscura leggera. Il Jefferson Lab, insieme al Brookhaven Laboratory, è uno dei due siti candidati a ospitare l’Electron-Ion Collider (EIC), che a livello mondiale rappresenta il futuro progetto dedicato allo studio delle proprietà dei protoni e neutroni e su cui, il 24 luglio scorso, la National Academy of Science (NAS) ha pubblicato un rapporto ribadendo la rilevanza e unicità del progetto. Il progetto EIC, del valore di un miliardo di dollari, è fortemente sostenuto dall’INFN, che ha avviato un lavoro preparatorio di networking e di R&D in vista della fase di sperimentazione. [Antonella Varaschin]
In foto vista aerea del Jefferson Lab
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