Misterul asimetriei antimateriei din proton

Precum cele mai mici păpuși matrioşka ale Universului, atomii sunt, de obicei, modelați ca particule având un nucleu format din protoni și neutroni şi care, la rândul lor, conțin 3 particule elementare denumite quarcuri.

Oricât de atractiv ar fi acest model, fenomenele cuantice din interiorul acestor particule subatomice sunt greu de înțeles: quarcuri și antiquarcuri apar şi dispar, fără ca masa acestora să se echilibreze.

La începutul anilor ’90, fizicienii au ciocnit protoni pentru a înţelege aceste fenomene, dar au constatat un dezechilibru între materie si antimaterie la care nu s-au aşteptat.

Bineînțeles, din moment ce rezultatele nu au validat teoria, fizicienii au efectuat o nouă verificare.

Experimentele ulterioare din cadrul Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), SUA, au sugerat că se întâmplă ceva ciudat atunci când impulsul particulelor era la limita a ceea ce detectoarele puteau măsura.

Așadar, cercetătorii au efectuat un nou experiment, denumit SeaQuest, în care detectoarele și scintilatoarele au fost concepute pentru a studia quarcurile din protoni cu o precizie mai mare ca niciodată.

Cercetătorii au avut nevoie de 20 de ani pentru a efectua experimente cu aceste particule și pentru o analiză  a datelor obţinute, dar, în cele din urmă, au confirmat că într-adevăr există un dezechilibru neobişnuit în ceea ce priveşte antimateria din interiorul fiecărui proton.

Există 6 tipuri de quarcuri care sunt împărțite în 3 perechi. Acestea sunt formate din quarcul „up” şi „down”, „charm” şi „strange” și respectiv „top” şi „bottom”. Quarcurile up și down formează protonii și neutronii, care se află în nucleul fiecărui atom, folosind forța nucleară tare.

Particulele elementare în conformitate cu Modelul Standard. Credit: wikimedia CC BY 3.0

Aceasta este explicația simplă. Adevărata natură a acestor perechi de particule este puţin înţeleasă. Pentru a mai complica puţin lucrurile, trebuie să ştiţi că pentru fiecare dintre aceste tipuri de quarcuri există un quarc în oglindă, un antiquarc format din antimaterie.

Atunci când un quarc se întâlnește cu antiquarcul său, perechea dispare, lăsând în urmă un foton. Practic o mulțime de particule și antiparticule apar și dispar într-un fulger haotic.

„Natura trecătoare a perechilor quarc-antiquarc face dificilă studierea prezenței lor în protoni, dar în acest experiment am detectat anihilările antiquarcurilor, care ne-au oferit o nouă perspectivă asupra asimetriei”, a declarat fizicianul Paul Reimer din cadrul Argonne National Laboratory al US Department of Energy.

Întrucât masa quarcurilor up și down este aproape aceeași, nu a existat niciodată vreun motiv să se creadă că apariţia oricărei particule omoloage de antimaterie ar putea fi preferenţială.

Conform teoriei, anihilările se uniformizează pentru a permite existenţa unei triplete stabile de quarcuri.

Experimentele de la începutul anilor 1990 au dezvăluit că realitatea este puțin mai complicată, în sensul că se formează mai multe antiquarcuri down decât antiquarcuri up, ceea ce a indicat o asimetrie care i-a nedumerit pe fizicieni.

O explicație ar putea consta în modul prin care protonii se pot transforma în neutroni, emițând și apoi capturând rapid din nou, una dintre acele perechi quarc-antiquarc, denumită pion.

Pe de altă parte, dacă ne imaginăm un proton ca un balon cu quarcuri având diferite energii, atunci ne-am putea aştepta ca energia acestor quarcuri să condiţioneze ce quarcuri apar şi dispar în timpul experimentelor.

Asimetria antimateriei în proton. Credit: Eugene Mymrin/Moment/Getty Images

Cercetătorii au efectuat experimente privind impulsul quarcurilor, ceea ce le-a permis extinderea domeniului de măsurare și prezicerea caracteristicilor acestor particule.

Datele obţinute au sugerat că dacă impulsul quarcului este suficient de mare, atunci unele tipuri de antiquarcuri devin într-adevăr mai frecvente. În acest caz a fost vorba de antiquarcuri up.

Noile date, obţinute în experimentul SeaQuest, au contrazis aceste rezultate, indicând că, indiferent de impulsul quarcului, antiquarcurile down sunt cele care predomină, chiar și la cel mai mare impuls măsurat.

„Nu avem încă o înțelegere completă a quarcurilor dintr-un proton și a modului cum aceste particule stabilesc proprietăților protonului.

Ca întotdeauna în fizica particulelor, sunt necesare mult mai multe informații înainte de soluționarea problemei.

Păpușile matrioșka nucleare, din inima fiecărui atom, nu se grăbesc să-și dezvăluie secretele”, a declarat Reimer.

Această cercetare a fost publicată în Nature.

Traducere după Decades-Long Experiment Finds Strange Mix of Antimatter in The Heart of Every Proton