Viitorul accelerator Electron-Ion Collider ar putea rezolva misterul materiei

În 1956 s-a deschis o nouă eră a fizicii, atunci când fizicianul american Robert Hofstadter, câștigător al Premiului Nobel, și echipa sa au bombardat cu electroni de mare energie o mică fiolă de hidrogen la Stanford Linear Accelerator Center.

Până atunci se credea că protonii și neutronii, care alcătuiesc nucleul atomului, erau cele mai fundamentale particule din natură. Erau considerate a fi „puncte” în spațiu, lipsite de dimensiuni fizice. Brusc, s-a demonstrat că aceste particule nu erau deloc fundamentale și că ele aveau, de asemenea, o dimensiune și o structură internă complexă.

Ceea ce Hofstadter și echipa sa au observat a fost o mică abatere în modul cum electronii „s-au împrăștiat” sau au sărit atunci când au lovit hidrogenul. Acest lucru a sugerat că într-un nucleu există mai mult decât protoni și neutroni.

Experimentele care au urmat în acceleratoare, instalaţii complexe care propulsează particulele la energii foarte mari, au anunțat o schimbare de paradigmă în modul de înțelegere a materiei.

Cu toate acestea, mai există multe lucruri pe care încă nu le știm despre nucleul atomic, precum și despre forța nucleară tare, una dintre cele patru forțe fundamentale ale naturii.

Un nou accelerator, Electron-Ion Collider, care urmează să fie construit în următorul deceniu la Brookhaven National Laboratory din Long Island, SUA, cu ajutorul a 1.300 de oameni de știință din întreaga lume, ar putea ajuta la o înțelegere mai bună a nucleului atomic.

Brookhaven National Laboratory din SUA. Credit: Brookhaven National Laboratory

O forță puternică, dar ciudată

După descoperirile din anii 1950 a devenit evident că particulele numite quarcuri și gluonii sunt elementele fundamentale ale materiei. Aceştia sunt constituenții hadronilor, printre care se numără şi protonii.

Legăturile dintre quarcurile din nucleul atomic sunt uneori imaginate precum cele dintre piesele Lego, quarcurile într-o anumită configurație formând protoni și neutroni. Protonii și neutronii la rândul lor se unesc pentru a crea un nucleu atomic, iar nucleul atomic atrage electroni pentru a forma un atom.

Quarcurile și gluonii nu sunt însă nişte blocuri statice.

O teorie denumită cromodinamică cuantică descrie modul cum acţionează forța nucleară tare între quarcuri, mediată de gluoni, care sunt particulele purtătoare de forță. Din păcate, această teorie nu ne ajută să calculăm analitic proprietățile protonului şi nu din vina teoreticienilor sau a computerelor. Ecuațiile acestei teorii nu sunt, pur și simplu, rezolvabile.

Acesta este motivul pentru care studiul experimental al protonului și al altor hadroni este crucial pentru a înțelege protonul și forța care îi asigură stabilitatea. Pentru aceasta, acceleratorul este cel mai puternic instrument al nostru de lucru.

Atunci când studiem protonul într-un accelerator de particule, care folosește două fascicule care circulă în sensuri opuse și se ciocnesc frontal, în funcţie de cât de adânc „privim” în proton acesta apare uneori ca fiind format din trei quarcuri, alteori ca un „ocean” de gluoni sau ca o „mare” plină de perechi de quarcuri și antiparticulele lor (antiparticulele sunt aproape identice cu particulele, dar au o sarcină electrică opusă sau alte proprietăți cuantice).

Modul cum un electron se ciocnește cu un atom încărcat electric poate dezvălui structura nucleară a acestuia. Credit: Brookhaven National Lab/Flickr, CC BY-NC

Chiar dacă înțelegerea materiei la cea mai mică scară dimensională a înregistrat progrese mari în ultimii 60 de ani, mai rămân multe mistere pe care instrumentele de astăzi nu le pot rezolva pe deplin.

Cum se leagă quarcurile într-un hadron? Cum apare masa protonului din quarcurile aproape fără masă, de 1.000 de ori mai ușori?

Pentru a răspunde la astfel de întrebări, avem nevoie de un „microscop” cu care să putem observa protonul şi nucleul atomic în cele mai fine detalii și care să realizeze imagini 3D ale structurii și dinamicii acestora.

Exact asta va face noul accelerator Electron-Ion Collider (EIC).

Configuraţia experimentală

Electron-Ion Collider (EIC) va folosi ca sondă un fascicul foarte intens de electroni cu ajutorul căruia se va putea studia structura protonului sau a nucleului. Acest lucru se va face ciocnind un fascicul de electroni cu un fascicul de protoni sau ioni (atomi încărcați electric) și analizând modul cum se împrăștie electronii. Fasciculul de ioni este primul de acest fel din lume.

Efecte precum procesele de împrăștiere, care sunt abia perceptibile şi atât de rare încât pot fi observate doar o dată la un miliard de ciocniri, vor deveni astfel vizibile.

Studiind aceste procese, eu și alți oameni de știință vom putea dezvălui structura protonilor și neutronilor, cum se modifică aceasta sub acţiunea forței nucleare tari și cum sunt creați noi hadroni. De asemenea, am putea descoperi ce fel de materie este alcătuită din gluoni, o formă de materie ce nu a fost văzută niciodată.

Montajul experimental al Electron-Ion Collider (EIC). Credit: Brookhaven National Lab/Flickr, CC BY-NC

Electron-Ion Collider va fi reglat pentru o gamă largă de energii. Cu cât energia este mai mare, cu atât mai adânc în interiorul protonului sau al nucleului vom putea privi, ca şi cum am roti cadranul de mărire al unui microscop pentru a observa detalii tot mai fine.

Noile colaborări formate din oameni de știință din întreaga lume, care fac parte din echipa EIC, proiectează, de asemenea, detectoare care vor fi plasate în două puncte diferite de coliziune ale fasciculelor.

Deși ar putea dura încă zece ani până când Electron-Ion Collider va fi complet proiectat și construit, probabil că va merita efortul.

Înțelegerea structurii protonului și, prin intermediul acesteia, a forței fundamentale care dă naștere la peste 99% din masa vizibilă a Universului, este una dintre cele mai mari provocări ale fizicii de astăzi.

Traducere după The Electron-Ion Collider: new accelerator could solve the mystery of how matter holds together