Corri, protone, corri

Il Large Acceptance Spectrometer del Cebaf nella Hall B del Jefferson Lab, dove nel 2004 è stato condotto l’esperimento. Crediti: Doe’s Jefferson Lab

Guardare dentro una stella di neutroni – oggetto inarrivabile e al limite del concepibile – spulciando fra i dati di un esperimento condotto in laboratorio 14 anni fa. Sembra magia, ma è qualcosa di ancor più affascinante: è quello che può accadere quando immaginazione e rigore si incamminano mano nella mano lungo il sentiero del metodo scientifico. Mano nella mano come a volte procedono alcuni nucleoni – i neutroni e i protoni che abitano i nuclei degli atomi. O le stelle di neutroni, appunto.

Stelle che, a differenza di quanto il nome sembra suggerire, non sono fatte interamente di neutroni: i neutroni sono la particella di gran lunga dominante, questo sì, ma nelle stelle di neutroni ci sono anche elettroni e protoni – altrimenti non si spiegherebbe la presenza degli intensi campi magnetici misurati attorno a questi oggetti. Quanti siano i protoni non è chiaro, ma le stime parlano di una frazione attorno almeno al 5 per cento della massa totale. Un “ambiente” non così dissimile, dunque, da quello del nucleo degli atomi più pesanti, dove il numero di neutroni – man mano che si avanza lungo la tavola periodica – cresce più rapidamente di quello dei protoni.

Ecco dunque che nei nuclei degli atomi di carbonio, per esempio, limitandoci all’isotopo più diffuso abbiamo una quantità uguale di neutroni e protoni – 6 e 6 – ma già passando all’alluminio c’è un neutrone in più: 14 e 13. Nei nuclei di ferro i neutroni sono 30 e i protoni solo 26, poco più del 46 per cento. E salendo fino al piombo la percentuale di protoni rispetto al totale dei nucleoni scende al di sotto del 40 per cento, con nuclei da 126 neutroni rispetto a 82 protoni.

Situazioni certo più equilibrate del 5 per cento delle stelle di neutroni, ma sufficienti per verificare e misurare sperimentalmente due fenomeni. Il primo è quello al quale accennavamo in apertura: a volte i nucleoni procedono mano nella mano. Più precisamente, si accoppiano. Chiamato in inglese pairing, è un fenomeno di breve durata che dà luogo, preferenzialmente, a coppie eterogenee: la combinazione neutrone-protone è infatti venti volte più gettonata di quella con due neutroni o con due protoni. Una conseguenza di questa predilezione è che, in un nucleo con molti più neutroni che protoni, i protoni con un partner sono in media molti più dei neutroni nella stessa situazione, poiché questi ultimi fanno assai più fatica a trovare protoni ancora single.

Ma c’è di più. Bombardando con un fascio di elettroni – sparati a oltre 5 GeV dall’acceleratore del Jefferson Lab Continuous Electron Beam Accelerator Facility (Cebaf) – atomi di, appunto, carbonio, alluminio, ferro e piombo, i fisici si sono accorti che i nucleoni accoppiati hanno un momento – una quantità di moto – superiore a quello dei nucleoni single. Ora, tenendo presente quanto detto prima, ovvero che i protoni in coppia sono in media più dei neutroni in coppia, ciò porta a un esito piuttosto curioso: più è alto il rapporto fra neutroni e protoni in un nucleo atomico pesante, più alta risulta essere – in media – la quantità di moto dei protoni rispetto a quella dei neutroni. Insomma, più neutroni ci sono, maggiore è la velocità dei protoni. Mentre quella dei neutroni rimane più o meno sempre la stessa.

Ed è proprio quest’ultima proprietà che un team guidato da Meytal Duer, dottoranda all’università di Tel Aviv, in Israele, è riuscito a osservare analizzando i dati raccolti nell’esperimento condotto al Cebaf nel 2004. «Quando l’elettrone entra nel nucleo colpisce colpito un protone o un neutrone, così possiamo misuriamo l’elettrone e il protone – o il neutrone – in uscita», spiega Duer. «Il nostro è il primo studio che misura sia i protoni sia i neutroni con correlazione a corto raggio, permettendo di confrontare la frazione di quantità di moto trasportata da ciascuno. La novità del nostro studio, rispetto a quelli precedenti, è che per la prima volta misuriamo anche il neutrone».

Il risultato, pubblicato oggi su Nature, ha importanti implicazioni per la dinamica delle stelle di neutroni. I pochi protoni in esse presenti, proprio perché relativamente pochi, hanno una quantità di moto assai più elevata rispetto a quella dei neutroni, e dunque possono giocare un ruolo molto più rilevante del previsto nel determinare la struttura delle stelle di neutroni.

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Fonte: Corri, protone, corri