Yoctosecond imaging of the 129Xe ground state at the Large Hadron Collider

Per comprendere il nucleo di un atomo, gli scienziati si sono a lungo affidati a due modi molto diversi di guardare il mondo. Un approccio utilizza esperimenti a bassa energia, dove fasci di particelle sondano delicatamente la superficie di un nucleo, rivelandone la forma e la dimensione media. L'altro utilizza collisioni ad alta energia, facendo scontrare atomi a velocità vicine a quella della luce per creare una breve, ardente palla di fuoco di particelle subatomiche. Per decenni, questi due mondi sono rimasti ampiamente separati. Le collisioni ad alta energia erano viste principalmente come un modo per studiare le forze fondamentali che tengono insieme la materia, mentre i metodi a bassa energia erano lo standard per mappare la struttura dei singoli atomi. Tuttavia, è emersa una nuova prospettiva: la collisione violenta stessa può agire come una macchina fotografica, scattando un'istantanea della disposizione interna del nucleo prima che venga distrutto. Ciò è possibile perché la collisione avviene così rapidamente che le posizioni dei protoni e dei neutroni all'interno del nucleo sono efficacemente congelate in posizione durante l'impatto. Analizzando i detriti che volano via dopo lo scontro, i fisici possono lavorare a ritroso per ricostruire la disposizione di quelle particelle, immaginando efficacemente il nucleo in un modo che era precedentemente impossibile.

Un team di ricercatori al CERN ha ora portato questo concetto un passo avanti significativo, utilizzando i dati del Large Hadron Collider per creare un'immagine dettagliata dello stato fondamentale del nucleo di xenone-129. In uno studio pubblicato recentemente, hanno combinato un modello del nucleo come un oggetto rotante e deformato con complesse simulazioni al computer della collisione risultante. L'obiettivo era andare oltre il semplice indovinare la forma del nucleo e invece estrarre misurazioni precise e quantitative di come i loro protoni e neutroni siano correlati tra loro. Analizzando i modelli di particelle prodotte nelle collisioni tra atomi di xenone, e confrontandoli con le collisioni tra atomi di piombo, il team è stato in grado di determinare che il nucleo di xenone-129 non è una sfera perfetta, né un semplice ovale. Inveve, possiede una complessa asimmetria a tre lati, una forma che si allinea con le previsioni teoriche per questo specifico isotopo. Questo traguardo segna un passaggio dall'osservazione qualitativa alla misurazione quantitativa, permettendo agli scienziati di usare i collisionatori di particelle come strumenti di precisione per mappare la geometria interna dei nuclei atomici.

Il processo si basa sulle condizioni uniche create quando due ioni pesanti collidono a velocità ultra-relativistiche. Quando un nucleo di xenone si scontra con un altro, l'interazione avviene in meno di un yoctosecondo, una scala temporale così breve che i protoni e i neutroni all'interno non possono muoversi o riorganizzarsi durante l'impatto. Essi sono congelati nella configurazione che detenevano appena prima dello scontro. Questa configurazione congelata viene poi proiettata sul piano della collisione, creando un modello geometrico specifico. Questo modello detta come la risultante palla di fuoco di materia calda, nota come plasma di quark e gluoni, si espande e si raffredda. Se il nucleo è rotondo, la palla di fuoco si espande uniformemente. Se il nucleo è allungato o schiacciato, la palla di fuoco si espande maggiormente in alcune direzioni rispetto ad altre. Misurando il flusso finale di particelle che emergono da questa palla di fuoco, specificamente come esse si muovono l'una rispetto all'altra, i fisici possono inferire la forma del nucleo originale.

I ricercatori si sono concentrati sull'isotopo xenone-129, noto per essere deformato, ovvero non è una sfera perfetta. Hanno utilizzato un metodo statistico chiamato inferenza bayesiana per analizzare un enorme dataset di collisioni. Questo metodo ha permesso loro di testare milioni di possibili forme e orientamenti contro i dati sperimentali per vedere quali corrispondessero ai flussi di particelle osservati. Hanno scoperto che i dati supportano fortemente un modello in cui il nucleo di xenone è triassiale, il che significa che ha tre assi diseguali, somigliando a una forma leggermente schiacciata e irregolare, piuttosto che a un semplice pallone da rugby o a un pancake. Lo studio ha determinato che la deformazione è quasi massima, con un angolo di asimmetria specifico di circa 40 gradi. Questo risultato è significativo perché corrisponde a calcoli indipendenti effettuati con altri metodi teorici, confermando che l'approccio delle collisioni ad alta energia può estrarre in modo affidabile dettagli strutturali che prima erano accessibili solo attraverso esperimenti a bassa energia.

Oltre a confermare la forma, lo studio ha fornito le prime misurazioni sperimentali di specifiche correlazioni tra i protoni e i neutroni all'interno del nucleo. In un sistema quantistico, la posizione di una particella è spesso legata alla posizione di un'altra, un fenomeno noto come correlazione. I ricercatori sono stati in grado di quantificare questi legami sia per coppie di particelle che per gruppi di tre. Hanno scoperto che la disposizione di queste particelle crea una firma distinta nei detriti della collisione. Ad esempio, hanno misurato come la dimensione complessiva del nucleo si relazioni alla sua forma, trovando una relazione specifica che si mantiene vera per questo isotopo. Queste misurazioni servono come nuovi parametri di riferimento per i teorici che cercano di costruire modelli fondamentali del nucleo partendo dal basso. Fornendo numeri concreti per queste correlazioni, lo studio offre un nuovo modo per testare e perfezionare le teorie che descrivono come la forza nucleare forte leghi la materia insieme.

Le implicazioni di questo lavoro si estendono oltre la struttura di un singolo atomo. La capacità di estrarre una struttura nucleare dettagliata dalle collisioni ad alta energia apre una nuova via per studiare le proprietà fondamentali della materia. I ricercatori hanno osservato che le loro scoperte potrebbero aiutare a migliorare i calcoli per il decadimento doppio beta senza neutrini, un processo raro che, se osservato, dimostrerebbe che i neutrini sono la propria antiparticella. Comprendere la disposizione precisa dei nucleoni è cruciale per prevedere il tasso di questo decadimento. Inoltre, le tecniche sviluppate qui potrebbero essere applicate ad altri isotopi, rivelando potenzialmente nuovi dettagli sulla forza nucleare e sul comportamento della materia in condizioni estreme. Lo studio ha anche toccato il nucleo di piombo-208, trovando prove di un tipo diverso di deformazione che era stata suggerita da altri esperimenti, validando ulteriormente la sensibilità del metodo.

Questa ricerca dimostra che il Large Hadron Collider, spesso associato alla ricerca di nuove particelle e alle origini dell'universo, può anche servire come un potente microscopio per il nucleo atomico. Trattando la collisione come una sonda improvvisa che congela la configurazione nucleare, gli scienziati hanno trasformato un evento distruttivo in una fonte di precise informazioni strutturali. Il successo del team nel mappare il nucleo di xenone-129 suggerisce che questo approccio può essere usato per esplorare gli stati fondamentali di molti altri isotopi, fornendo una ricchezza di nuovi dati per i fisici nucleari. Le scoperte confermano che la complessa dinamica a molti corpi di protoni e neutroni lascia un'impronta chiara e misurabile sui detriti delle collisioni ad alta energia, colmando il divario tra il mondo dell'alta energia della fisica delle particelle e il mondo della struttura nucleare a bassa energia.