Nuovi rilevamenti nelle stelle di neutroni potrebbero indicare una violazione delle simmetrie fondamentali nell’universo

I nuovi risultati ottenuti dai rilevatori di particelle di precisione presso il Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) offrono un nuovo assaggio delle interazioni tra particelle che si svolgono nei nuclei delle stelle di neutroni. Le nuove rivelazioni potrebbero permettere ai fisici nucleari di trovare violazioni delle simmetrie fondamentali nell’universo.

I risultati, pubblicati su Nature Physics, sono stati ottenuti grazie al potente collettore di ioni dell’RHIC, struttura del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti per la ricerca di fisica nucleare presso il Brookhaven National Laboratory del DOE.

Le misurazioni di precisione rivelano che l’ energia di legame che tiene insieme i componenti di un nucleo estraneo, noto come “ipertritone”, è maggiore di quella ottenuta da precedenti esperimenti. Il nuovo valore potrebbe avere importanti implicazioni astrofisiche per la comprensione delle proprietà delle stelle di neutroni.

La seconda misurazione è stata la ricerca di una differenza tra la massa dell’ipertritone e la sua controparte di antimateria, l’antipertritone. I fisici non hanno mai trovato una differenza di massa tra i partner materia-antimateria, quindi vederne una sarebbe una grande scoperta. Sarebbe la prova della violazione del “CPT” – una violazione simultanea di tre simmetrie fondamentali in natura relative all’inversione di carica, parità (simmetria specchio) e tempo.

Stando alle parole del fisico di Brookhaven – Zhangbu Xu, portavoce dell’esperimento STAR di RHIC, non è mai stata rilevata una violazione CPT nell’ipertritone e nell’antipertritone. Il precedente test CPT del nucleo più pesante non ha mostrato differenze significative.

Individuare una violazione CPT è un compito arduo

I più semplici nuclei di materia normale contengono solo protoni e neutroni, con ognuna di quelle particelle costituite da quark ordinari. Negli ipertritoni, un neutrone viene sostituito da una particella chiamata lambda, che contiene uno strano quark insieme alle normali varietà.

Tali strane sostituzioni di materia sono comuni nelle condizioni ultra-dense create nelle collisioni di RHIC. Questo perché l’alta densità rende meno costoso dal punto di vista energetico produrre strani quark rispetto alle normali varietà.

Per questo motivo, le collisioni RHIC offrono ai fisici nucleari un modo per scrutare le interazioni subatomiche all’interno di oggetti stellari distanti senza mai lasciare la Terra. E poiché le collisioni RHIC creano ipertritoni e antiipertritoni in quantità quasi uguali, offrono anche un modo per cercare la violazione della CPT.

Tuttavia trovare quelle rare particelle tra le migliaia che scorrono da ogni frammento è un compito arduo. Aggiungiamo alla sfida il fatto che queste particelle instabili decadono non appena si formano, a pochi centimetri dal centro del rivelatore STAR largo quattro metri.

I nuovi componenti del rivelatore STAR potrebbe portare ad una nuova scoperta

Fortunatamente, i nuovi componenti del rivelatore STAR per tracciare diversi tipi di particelle hanno reso la ricerca un gioco da ragazzi. Questi componenti, chiamati “Heavy-Flavor Tracker”, si trovano molto vicino al centro del rivelatore STAR. Questi componenti interni consentono agli scienziati di tracciare le particelle dal loro punto di origine.

La compilazione di dati provenienti da molte collisioni putroppo non ha rivelato alcuna prova di violazione della CPT. Ma quando i fisici di STAR hanno esaminato i loro risultati per l’energia di legame dell’ipertritone, si è scoperto che era più grande delle precedenti misurazioni degli anni ’70.

I fisici STAR hanno calcolato l’energia di legame sottraendo il loro valore per la massa dell’ipertritone dalle masse conosciute combinate delle sue particelle elementari: un deuterone e un lambda.

“L’ipertritone pesa meno della somma delle sue parti perché parte di quella massa viene convertita nell’energia che lega i tre nucleoni insieme”, ha detto il collaboratore STAR dell’Università di Fudan – Jinhui Chen.

“Questa energia di legame è davvero una misura della forza di queste interazioni, quindi la nostra nuova misurazione potrebbe avere importanti implicazioni per la comprensione dell’equazione di stato delle stelle di neutroni”, ha aggiunto.

Ad esempio, nei calcoli del modello, la massa e la struttura di una stella di neutroni dipendono dalla forza di queste interazioni. “C’è un grande interesse nel capire come queste interazioni siano diverse tra i nucleoni ordinari e gli strani nucleoni”, ha detto Chen. “Poiché questi ipernuclei contengono una sola lambda, questo è uno dei modi migliori per fare confronti con previsioni teoriche. Riduce il problema nella sua forma più semplice.”