GARE FRA NUCLEONI NELLE STELLE DI NEUTRONI

Corri, protone, corri

I protoni presenti nei nuclei degli atomi più pesanti sembrano avere in media più “vigore” dei neutroni, e questo proprio per il fatto di essere in minoranza. Fenomeno che dovrebbe dunque presentarsi ancora più marcato nelle stelle di neutroni. Lo studio oggi su Nature

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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