Chiar și un hipernucleu ciudat confirmă o simetrie fundamentală a naturii

O versiune exotică a unui nucleu atomic face o datorie dublă. Un studiu al hipertritonului confirmă simultan o simetrie de bază a naturii și, potențial, dezvăluie noi perspective asupra a ceea ce se ascunde în interiorul stelelor ultradense cu neutroni.

Hipertritonul este un geamăn al antihipertritonului – versiunea antimaterie a nucleului. Ambele hipernuclee au aceeași masă, au raportat cercetătorii din 9 martie STAR Collaboration Fizica naturii.

Un hipernucleu este un nucleu atomic în care un proton sau un neutron a fost schimbat cu o particulă numită hiperon. La fel ca protonii și neutronii, hiperonii sunt fiecare formați din trei particule mai mici numite quarci. În timp ce protonii și neutronii conțin varietăți comune cunoscute sub numele de cuarci up și cuarci down, hiperonii sunt mai neobișnuiți. Ele conțin cel puțin un quark de tip numit quarc ciudat.

Masele potrivite de hipertritoni și antihipertritoni reafirmă baza solidă a unui pilon al fizicii cunoscut sub numele de simetrie de paritate-încărcare sau CPT. Pentru a vizualiza o astfel de simetrie, imaginați-vă că luați universul și schimbați toate particulele cu opusele lor de antimaterie, răsturnând-o într-o oglindă și rulând timpul înapoi. Dacă ai putea face asta, universul s-ar comporta identic cu versiunea sa neîntorsă, cred fizicienii. Dacă s-ar descoperi că simetria CPT nu se menține, fizicienii ar trebui să-și reconsidere teoriile despre univers.

Până acum, oamenii de știință nu au găsit indicii de încălcare a simetriei CPT (SN: 2/19/20), dar nu l-au testat niciodată până acum în nuclee care conțin quarci ciudați, așa că nu puteau fi siguri că a ținut acolo. „Este de imaginat că o încălcare a acestei simetrii s-ar fi ascuns în acest mic colț al universului și nu ar fi fost niciodată descoperită până acum”, spune fizicianul Declan Keane de la Kent State University din Ohio. Dar masele egale de hipertritoni și antihipertritoni – găsite în experimentele de la Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC, la Brookhaven National Laboratory din Upton, NY – înseamnă că simetria CPT a fost menținută.

În ciocnirile de nuclee de aur la RHIC, Keane și colegii au identificat hipernucleii căutând particulele produse atunci când hipernucleii s-au degradat în interiorul detectorului STAR de 1.200 de tone metrice. Pe lângă faptul că au confirmat că simetria CPT a predominat, cercetătorii au determinat câtă energie ar fi necesară pentru a elibera hiperonul din hipernucleu: aproximativ 0,4 milioane de electroni volți. Măsurătorile anterioare – care au acum zeci de ani – au sugerat că această cantitate, numită energie de legare, a fost semnificativ mai mică, măsurătorile fiind în mare parte împrăștiate sub 0,2 milioane de electroni volți. (Pentru comparație, energia de legare a unui nucleu format dintr-un proton și neutron este de aproximativ 2,2 milioane de electroni volți.)

Noul număr ar putea modifica înțelegerea oamenilor de știință asupra stelelor neutronice, rămășițe de stele explodate care înghesuie o masă mai mare decât cea a soarelui într-o minge la fel de lată ca lungimea Manhattan-ului. Inimile stelelor cu neutroni sunt atât de dense încât este imposibil să recreezi acea materie în experimente de laborator, spune Morgane Fortin de la Centrul Astronomic Nicolaus Copernic al Academiei Poloneze de Științe din Varșovia. Deci, „există un mare semn de întrebare ce se află chiar în centrul stelelor neutronice”.

Unii oameni de știință cred că nucleele stelelor neutronice ar putea conține hiperoni (SN: 12/1/17). Dar prezența hiperonilor ar înmuia materia din interiorul stelelor neutronice. Stelele neutronice mai moi s-ar prăbuși mai ușor în găuri negre, așa că stelele cu neutroni nu ar putea deveni la fel de masive. Această caracteristică face ca prezența potențială a hiperonilor să fie dificil de reconciliat cu cele mai mari stele cu neutroni văzute în cosmos – care variază până la aproximativ două mase solare.

Dar energia de legare mai mare, recent măsurată, a hiperonului ajută la menținerea vie a ideii unui centru plin de hiperon pentru stelele neutronice. Rezultatul sugerează că interacțiunile hiperonilor cu neutronii și protonii sunt mai puternice decât se credea anterior. Această interacțiune îmbunătățită înseamnă că stelele neutronice cu hiperoni sunt mai rigide și ar putea atinge mase mai mari, spune Fortin. Deci stelele cu neutroni pot avea încă inimi ciudate.