La mayor parte de la materia ordinaria se mantiene unida por un pegamento subatómico invisible conocido como la fuerza nuclear fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. junto con la gravedad, electromagnetismo, y la fuerza débil. La fuerza nuclear fuerte es responsable del empuje y tracción entre protones y neutrones en el núcleo de un átomo, que evita que un átomo colapse sobre sí mismo.

En 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 se ven desafiadas cuando las partículas subatómicas están tan cerca que prácticamente se encuentran una encima de la otra.

Si bien estas interacciones de distancia ultracorta son raras en la mayor parte de la materia de 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 fuerte fuerza nuclear a distancias tan ultracortas.

Ahora, los físicos del MIT y otros lugares han caracterizado por primera vez la fuerte fuerza nuclear, y las interacciones entre protones y neutrones, a distancias extremadamente cortas.

Realizaron un extenso análisis de datos sobre experimentos previos con aceleradores de partículas, y descubrió que a medida que la distancia entre protones y neutrones se acorta, se produce una transición sorprendente en sus interacciones. Donde a grandes distancias, la fuerza nuclear fuerte actúa principalmente para atraer un protón a un neutrón, a distancias muy cortas, la fuerza se vuelve esencialmente indiscriminada:las interacciones pueden ocurrir no solo para atraer un protón a un neutrón, pero también para repeler, o separar pares de neutrones.

"Esta es la primera mirada muy detallada a lo que sucede con 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 comprensión de 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 Ph.D. 'dieciséis, un ex estudiante de posgrado y posdoctorado, junto con el estudiante de posgrado Jackson Pybus, el estudiante de pregrado Adin Hrnjic y colegas adicionales del MIT, la Universidad Hebrea, Universidad de Tel-Aviv, Universidad Old Dominion, y miembros de CLAS Collaboration, un grupo multiinstitucional de científicos involucrados con el Espectrómetro Acelerador Grande CEBAF (CLAS), un acelerador de partículas en el Laboratorio Jefferson en Newport News, Virginia.

Instantánea de gota de estrella

Las interacciones de distancia ultracorta entre protones y neutrones son raras en la mayoría de los núcleos atómicos. Detectarlos requiere golpear átomos con una gran cantidad de electrones de energía extremadamente alta, una fracción de las cuales podría tener la posibilidad de expulsar un par de nucleones (protones o neutrones) que se muevan a gran velocidad, lo que indica que las partículas deben interactuar a distancias extremadamente cortas.

"Para hacer estos experimentos, necesitas aceleradores de partículas increíblemente de alta corriente, "Dice Hen." Solo recientemente tenemos la capacidad de detección, y comprender los procesos lo suficientemente bien como para realizar este tipo de trabajo ".

Hen y sus colegas buscaron las interacciones extrayendo datos previamente recopilados por CLAS, un detector de partículas del tamaño de una casa en el Laboratorio Jefferson; El acelerador JLab produce haces de electrones de alta intensidad y energía sin precedentes. El detector CLAS estuvo operativo desde 1988 hasta 2012, y los resultados de esos experimentos han estado disponibles desde entonces para que los investigadores busquen otros fenómenos enterrados en los datos.

En su nuevo estudio, los investigadores analizaron un tesoro de datos, que asciende a algunos billones de electrones que golpean núcleos atómicos en el detector CLAS. El haz de electrones estaba dirigido a láminas hechas de carbono, dirigir, aluminio, y hierro, cada uno con átomos de proporciones variables de protones a neutrones. Cuando un electrón choca 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 lo fuerte que pateé algo y lo rápido que salió, Puedo reconstruir el impulso inicial de la cosa que fue pateada, "Hen explica.

Con este enfoque general, el equipo examinó las colisiones de billones de electrones y logró aislar y calcular la cantidad de movimiento de varios cientos de pares de nucleones de alta cantidad de movimiento. Hen compara estos pares con "gotas de estrellas de neutrones, "como su impulso, y su distancia inferida entre ellos, es similar a las condiciones extremadamente densas en el núcleo de una estrella de neutrones.

Trataron a cada par aislado como una "instantánea" y organizaron los 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 para atraer protones a 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 neutrón-neutrón, sugiriendo que, en mayor impulso, o distancias cada vez más cortas, la fuerza nuclear fuerte actúa no solo sobre protones 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 repeliéndose fuertemente entre sí.

"Esta idea de un núcleo repulsivo en la fuerza nuclear fuerte es algo arrojado como esta cosa mítica que existe, pero no sabemos como llegar como este portal de otro reino, ", Dice Schmidt." Y ahora tenemos datos en los que 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, la mayoría de los neutrones se emparejan con protones a través de la fuerte atracción. Con su nuevo estudio, los investigadores han encontrado evidencia de que cuando las partículas están empaquetadas en configuraciones mucho más densas y separadas por distancias más cortas, la fuerza nuclear fuerte crea una fuerza repulsiva entre neutrones que, en el núcleo de una estrella de neutrones, ayuda a evitar que la estrella colapse sobre sí misma.

Menos que una bolsa de quarks

El equipo hizo dos descubrimientos adicionales. Para uno, 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, contra las expectativas, el núcleo de una estrella de neutrones se puede describir estrictamente por las interacciones entre protones y neutrones, sin necesidad de explicar explícitamente 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 quieren calcular las propiedades de una estrella de neutrones, Hen dice que pueden usar este modelo particular de Argonne V18 para estimar con precisión las interacciones de fuerza nuclear fuerte entre pares de nucleones en el núcleo. Los nuevos datos también se pueden utilizar para comparar enfoques alternativos 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 nucleones a distancias extremadamente cortas, sin tener en cuenta explícitamente quarks y gluones. Los físicos habían asumido que en extremadamente denso, entornos caóticos como núcleos de estrellas de neutrones, las interacciones entre neutrones deberían dar paso a las fuerzas más complejas entre quarks y gluones. Dado 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 que el núcleo de una estrella de neutrones se pueda 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, "Hen explica." Pero encontramos incluso en las densidades más altas, podemos describir estas interacciones usando protones y neutrones; parecen mantener sus identidades y no se convierten en esta bolsa de quarks. Entonces, los núcleos de las estrellas de neutrones podrían ser mucho más simples de lo que la gente pensaba. Eso es una gran sorpresa ".