L’esperimento ALICE misura l’interazione tra protoni e barioni multi-strani

La misura dell’interazione tra protoni e ‘iperoni’ migliora la conoscenza sull’interazione forte e contribuira’ alla comprensione della struttura delle stelle di neutroni

Una misura precisa della forza nucleare forte responsabile dell’interazione tra adroni apre la possibilità di confermare le previsioni della cromodinamica quantistica (QCD), la teoria che descrive l’interazione forte, e di studiare i meccanismi fisici che regolano l’aggregazione di stati ‘esotici’ della materia, come quelli che potrebbero essere presenti all’interno delle stelle di neutroni, e che rappresenta una delle frontiere della fisica nucleare. Come riportato in un articolo pubblicato sulla rivista Nature (https://www.nature.com/articles/s41586-020-3001-6), la collaborazione ALICE ha sviluppato e applicato un nuovo metodo per misurare questa interazione utilizzando gli adroni prodotti in collisioni di protoni al Large Hadron Collider (LHC) del CERN. La misura è stata resa possibile dalle caratteristiche specifiche dell’esperimento, nel quale l’INFN svolge un ruolo centrale.

Oltre a essere responsabile del legame esistente tra i protoni e i neutroni (gli adroni che costituiscono i nuclei atomici), la forza nucleare forte, mediata dai gluoni, regola l’interazione tra adroni che contengono quark meno comuni. A questa famiglia appartengono gli 'iperoni’, che presentano uno o più quark ‘strange’, quark che non sono presenti nei nuclei e quindi nella materia ordinaria ma che potrebbero essere presenti nelle stelle di neutroni.

A causa dell’instabilità degli iperoni è sempre stato molto difficile ottenere conferme sperimentali delle previsioni della QCD per questo aspetto della forza forte. La tecnica utilizzata recentemente nell’ambito della collaborazione ALICE, è denominata femtoscopia, poiché si concentra su grandezze dell’ordine del femtometro (10^-15 metri) - corrispondenti a circa la dimensione di un adrone e al raggio d’azione dell’interazione forte. La femtoscopia si basa sul principio quantistico che lega la differenza di impulso di particelle che si trovano a distanze piccole alla loro interazione. L’applicazione di questa tecnica alle collisioni di LHC ha permesso alla collaborazione ALICE di misurare per la prima volta l’attrazione dovuta all’interazione forte esistente tra un protone ed il più pesante degli iperoni composto da tre quark strani: la particella Ω.

“I risultati contenuti in questo articolo sono un importante traguardo, ma anche il punto di partenza per esplorare con ALICE questo ambito dell’interazione forte - spiega Andrea Dainese, coordinatore scientifico di ALICE e ricercatore della sezione INFN di Padova – e confermano la versatilità di un esperimento ideato per studiare il plasma di quark e gluoni con collisioni di nuclei a LHC e ora divenuto uno strumento che rivela molti altri aspetti della cromodinamica quantistica.” Una ulteriore e affascinante applicazione del metodo descritto nell’articolo di Nature riguarda la comprensione dello stato della materia che compone il nucleo delle stelle di neutroni. A causa dell’elevata pressione che caratterizza queste stelle, si ipotizza che al loro interno possano essere prodotti anche iperoni, essendo energeticamente favorevole per la materia in queste condizioni trovarsi in forma di quark strange, oltre che up e down. Le future misure di interazioni tra materia ordinaria (protoni) e strana (iperoni) tramite la femtoscopia rappresentano un tassello essenziale per lo sviluppo delle equazioni di stato della materia delle stelle di neutroni e per determinare la loro evoluzione nel tempo.

L’efficacia della nuova tecnica e la precisione delle misure poggiano sulle grandi prestazioni dei diversi rivelatori di ALICE, capaci di identificare le particelle prodotte dalla collisione dei protoni accelerati all’interno di LHC e misurare il loro impulso e i loro decadimenti. “L’INFN ha svolto un ruolo molto importante nella realizzazione dell’inner tracking system – spiega Massimo Masera dell’Università e INFN di Torino, coordinatore dei gruppi italiani in ALICE -, il sistema di tracciamento al silicio più interno dell’esperimento, che rivela i decadimenti degli iperoni, e del rivelatore di tempo di volo, uno dei rivelatori più estesi di ALICE, che consente l’identificazione delle particelle cariche.”

Funzioni di correlazione in impulso misurate da ALICE per coppie p-Ξ (a) e p-Ω (b). La correlazione per differenze di impulso (k*) vicine a zero indica interazione attrattiva. L’eccesso dei dati rispetto alla curva verde di interazione Coulombiana rivela una interazione forte attrattiva, che è confrontata con i calcoli di QCD su reticolo.