Scoperta una nuova forma di materia “strana”: a cosa servirà?

Insieme a un gruppo di ricerca di cui faccio parte abbiamo scoperto una nuova forma di materia “strana” in un esperimento effettuato all’acceleratore J-PARC, in Giappone. Questa scoperta ci aiuterà a capire meglio l’origine della massa immediatamente dopo il Big Bang, ma anche il cuore delle stelle di neutroni.

Protoni, neutroni e…

La materia normale è costituita da atomi, che contengono un nucleo composto da protoni e neutroni, attorno al quale orbitano gli elettroni. Nei nuclei atomici i protoni e i neutroni sono tenuti insieme dall’interazione nucleare forte. Ciascun neutrone e protone è composto, a sua volta, da tre quark: due quark up e un quark down per il protone e un quark up e due quark down per il neutrone. I quark up e down sono particelle fondamentali appartenenti alla cosiddetta prima famiglia, nell’ambito del modello standard della fisica delle particelle elementari. Nel modello standard, tuttavia, ci sono altre due famiglie di particelle, quindi anche di quark. Tra questi quark, lo studio di quelli cosiddetti “strani” e che appartengono alla seconda famiglia potrebbe aiutare la comprensione dell’evoluzione dell’Universo e della materia in condizioni di altissima densità, come per esempio all’interno di una stella di neutroni.

In una stella la densità è così grande che se si volesse fare un esempio si potrebbe immaginare un ditale in cui far entrare tutta la popolazione mondiale. Un po’ come nel racconto di Italo Calvino “Tutto in un Punto” insomma.

Come si presenta la materia in queste condizioni estreme?

Ci siamo chiesti se oltre ai neutroni potrebbero trovarsi altri tipi di materia, come per esempio materia stabile che contiene quark strani che, stando ad alcune teorie, può arrivare a densità molto alta.

In un esperimento effettuato dalla collaborazione internazionale E15, di quale fa parte anche un gruppo italiano dei Laboratori Nazionali di Frascati, LNF-INFN, da me guidato, e col supporto del Ministero degli Affari Esteri e Cooperazione Internazionale nell’ambito del Protocollo esecutivo di cooperazione scientifica e tecnologica Italia – Giappone (progetto StrangeMatter), è stata scoperta una nuova forma di materia nucleare strana, che contiene il quark strano e che ha un’energia di legame maggiore della materia nucleare normale.

L’esperimento è stato eseguito all’acceleratore J-PARC in Giappone, dove un intenso fascio di kaoni ha interagito con un bersaglio di elio 3. I kaoni fanno parte della famiglia dei mesoni, particelle composte da un quark e un antiquark – nel nostro caso i kaoni con carica elettrica negativa utilizzati nell’E15 sono costituiti da uno strano quark e un antiquark “up”.

A seguito dell’interazione del kaone con il nucleo di elio 3 è stata osservata la formazione di un sistema legato del kaon con due protoni, con un’energia di legame più alta dell’energia nucleare “normale”. Se in un nucleo normale l’energia di legame di un nucleone è di pochi MeV (MeV significa un milione di elettronvolt – eV è l’energia acquistata da un elettrone accelerato in una differenza di potenziale di 1 V), la nuova forma materia dà un’energia di legame per nucleone di circa 25 MeV – che potrebbe portare alla formazione di materiale nucleare con una densità più alta di quella normale. Una sorta di laboratorio prototipo per lo studio di una stella di neutroni.

A cosa serve questa nuova scoperta?

Questo risultato è molto utile per capire come nasce la massa dei nucleoni e dei nuclei, subito dopo il Big Bang.

E15 è un rivelatore molto complesso che contiene un numero di rivelatori che misurano le particelle quali pioni, protoni o neutroni. Questi rivelatori, oltre ad essere utilizzati negli esperimenti di fisica nucleare, come l’E15, sono ampiamente utilizzati anche in medicina o nell’industria.

Dal cuore delle stelle allo studio dello stato di salute del nostro cuore, dunque.

Nel prossimo futuro, la collaborazione E15 ha l’obiettivo di ottimizzare il suo apparato di misure, con un nuovo rivelatore di neutroni più efficiente utile a studiare i processi di interazione dei kaoni non solo con l’elio 3, ma anche con altri  tipi di nuclei, per confermare il risultato della misurazione attuale e studiare come l’energia di legame della materia strana si evolve in base al numero di nucleoni.

Siccome la materia strana ci permette forse di studiare la materia molto densa, chiudo con una citazione del bellissimo racconto di Italo Calvino, “Tutto in un punto”:

“Si capisce che si stava tutti lì – fece il vecchio Qfwfq – e dove, altrimenti? Che ci potesse essere lo spazio, nessuno ancora lo sapeva. E il tempo, idem: cosa volete che ce ne facessimo, del tempo, stando lì pigiati come acciughe?

Ho detto “pigiati come acciughe” tanto per usare una immagine letteraria: in realtà non c’era spazio nemmeno per pigiarci. Ogni punto d’ognuno di noi coincideva con ogni punto di ognuno degli altri in un punto unico che era quello in cui stavamo tutti. Insomma, non ci davamo nemmeno fastidio, se non sotto l’aspetto del carattere, perché quando non c’è spazio, aver sempre tra i piedi un antipatico come il signor Pbert Pberd è la cosa più seccante.

Quanti eravamo? Eh, non ho mai potuto rendermene conto nemmeno approssimativamente.

Per contarsi, ci si deve staccare almeno un pochino uno dall’altro, invece occupavamo tutti quello stesso punto. Al contrario di quel che può sembrare, non era una situazione che favorisse la socievolezza; so che per esempio in altre epoche tra vicini ci si frequenta; lì invece, per il fatto che vicini si era tutti, non ci si diceva neppure buongiorno o buonasera“.

Per saperne di più: Physics Letters B l’articolo “‘K−pp’, a K ̅-Meson Nuclear Bound State, Observed in 3He(K−, Λp)nReactions”, della J-PARC E15 collaboration (link al )