De positief geladen protonen in atoomkernen zouden elkaar eigenlijk moeten afstoten, en toch plakken zelfs zware kernen met veel protonen en neutronen aan elkaar. De zogenaamde sterke interactie is hiervoor verantwoordelijk. Prof. Laura Fabbietti en haar onderzoeksgroep aan de Technische Universiteit van München (TUM) hebben nu een methode ontwikkeld om de sterke interactie nauwkeurig te meten met behulp van deeltjesbotsingen in het ALICE-experiment bij CERN in Genève.

De sterke wisselwerking is een van de vier fundamentele krachten in de natuurkunde. Het is in wezen verantwoordelijk voor het bestaan ​​van atoomkernen die uit verschillende protonen en neutronen bestaan. Protonen en neutronen zijn opgebouwd uit kleinere deeltjes, de zogenaamde quarks. En ook zij worden bij elkaar gehouden door de sterke wisselwerking.

Als onderdeel van het ALICE-project (A Large Ion Collider Experiment) bij CERN in Genève, Prof. Laura Fabbietti en haar onderzoeksgroep aan de Technische Universiteit van München hebben nu een methode ontwikkeld om met hoge precisie de krachten te bepalen die tussen protonen en hyperonen werken, onstabiele deeltjes bestaande uit zogenaamde vreemde quarks.

De metingen zijn niet alleen baanbrekend op het gebied van kernfysica, maar ook de sleutel tot het begrijpen van neutronensterren, een van de meest raadselachtige en fascinerende objecten in ons universum.

Vergelijking tussen theorie en experiment

Een van de grootste uitdagingen in de kernfysica van vandaag is het begrijpen van de sterke interactie tussen deeltjes met verschillende quark-inhoud van de eerste principes, dat is, uitgaande van de sterke interactie tussen de bestanddelen van de deeltjes, de quarks en de gluonen, die de interactiekracht overbrengen.

De theorie van de sterke interactie kan worden gebruikt om de sterkte van de interactie te bepalen. Echter, deze berekeningen bieden geen betrouwbare voorspellingen voor normale nucleonen met up- en down-quarks, maar voor nucleonen die zware quarks bevatten, zoals hyperonen die een of meer vreemde quarks bevatten.

Experimenten om de sterke interactie te bepalen zijn buitengewoon moeilijk omdat hyperonen onstabiele deeltjes zijn die na productie snel vervallen. Deze moeilijkheid heeft tot dusver een zinvolle vergelijking tussen theorie en experiment verhinderd. De onderzoeksmethode van prof. Laura Fabbietti opent nu de deur naar zeer nauwkeurige studies van de dynamiek van de sterke kracht bij de Large Hadron Collider (LHC).

Meting van de sterke kracht, zelfs voor de zeldzaamste hyperon

Vier jaar geleden, Prof. Fabbietti, professor voor Dichte en Vreemde Hadronische Materie aan de TUM, voorgesteld om een ​​techniek genaamd femtoscopie te gebruiken om de sterke interactie bij het ALICE-experiment te bestuderen. De techniek maakt het mogelijk om ruimtelijke schalen in de buurt van 1 femtometer (10^-15 meter) - ongeveer de grootte van een proton - en het ruimtelijke bereik van de sterke krachtactie te onderzoeken.

In de tussentijd, De groep van prof. Fabbietti aan de TUM slaagde er niet alleen in om de experimentele gegevens voor de meeste hyperon-nucleon-combinaties te analyseren, ze slaagden er ook in om de sterke interactie te meten voor de zeldzaamste van alle hyperonen, de Omega, bestaande uit drie vreemde quarks. Verder, de groep ontwikkelde ook een eigen raamwerk dat in staat is om theoretische voorspellingen te doen.

"Mijn TUM-groep heeft een nieuwe weg geopend voor kernfysica bij de LHC, een die alle soorten quarks omvat, een onverwachte precisie bereiken op een plek waar niemand tot nu toe heeft gekeken, ", zegt prof. Fabbietti. Het werk dat nu in "nature" is gepubliceerd, presenteert slechts enkele van de vele interacties die voor het eerst zijn gemeten.

Bevatten neutronensterren hyperonen?

Het begrijpen van de interactie tussen hyperonen en nucleonen is ook uiterst belangrijk voor het testen van de hypothese of neutronensterren hyperonen bevatten. De krachten die tussen de deeltjes bestaan ​​hebben een directe invloed op de grootte van een neutronenster.

Tot dusver, de relatie tussen de massa en de straal van een neutronenster is onbekend. In de toekomst, Het werk van prof. Fabbietti zal daarom ook helpen om het raadsel van de neutronensterren op te lossen.