De positivt laddade protonerna i atomkärnor borde faktiskt avvisa varandra, och ändå fastnar även tunga kärnor med många protoner och neutroner. Den så kallade starka interaktionen är ansvarig för detta. Professor Laura Fabbietti och hennes forskargrupp vid tekniska universitetet i München (TUM) har nu utvecklat en metod för att exakt mäta den starka interaktionen med hjälp av partikelkollisioner i ALICE -experimentet vid CERN i Genève.

Den starka interaktionen är en av de fyra grundläggande krafterna i fysiken. Det är i huvudsak ansvarigt för förekomsten av atomkärnor som består av flera protoner och neutroner. Protoner och neutroner består av mindre partiklar, de så kallade kvarkerna. Och även de hålls samman av den starka interaktionen.

Som en del av projektet ALICE (A Large Ion Collider Experiment) på CERN i Genève, Professor Laura Fabbietti och hennes forskargrupp vid tekniska universitetet i München har nu utvecklat en metod för att med hög precision bestämma krafterna som verkar mellan protoner och hyperoner, instabila partiklar innefattande så kallade konstiga kvarker.

Mätningarna är inte bara banbrytande inom kärnfysik, men också nyckeln till att förstå neutronstjärnor, ett av de mest gåtfulla och fascinerande föremålen i vårt universum.

Jämförelse mellan teori och experiment

En av de största utmaningarna inom kärnfysiken idag är att förstå den starka interaktionen mellan partiklar med olika kvarkinnehåll från de första principerna, det är, utgående från den starka interaktionen mellan partiklarnas beståndsdelar, kvarkerna och gluonerna, som förmedlar interaktionskraften.

Teorin om den starka interaktionen kan användas för att bestämma interaktionens styrka. Dock, dessa beräkningar ger inte tillförlitliga förutsägelser för normala nukleoner med upp och ner kvarker, men för nukleoner som innehåller tunga kvarkar, såsom hyperoner som innehåller en eller flera konstiga kvarker.

Experiment för att bestämma den starka interaktionen är extremt svåra eftersom hyperoner är instabila partiklar som snabbt förfaller efter produktionen. Denna svårighet har hittills förhindrat en meningsfull jämförelse mellan teori och experiment. Den forskningsmetod som används av professor Laura Fabbietti öppnar nu en dörr till högprecisionsstudier av dynamiken i den starka kraften vid Large Hadron Collider (LHC).

Mätning av den starka kraften även för det sällsynta hyperonet

Fyra år sedan, Prof. Fabbietti, professor för Dense and Strange Hadronic Matter vid TUM, föreslog att använda en teknik som kallas femtoskopi för att studera den starka interaktionen vid ALICE -experimentet. Tekniken gör det möjligt att undersöka rumsliga skalor nära 1 femtometer (10^-15 meter)-ungefär storleken på en proton-och det rumsliga intervallet för starkt kraftverkan.

Under tiden, Professor Fabbiettis grupp vid TUM lyckades inte bara analysera experimentella data för de flesta hyperon-nukleonkombinationer, de lyckades också mäta den starka interaktionen för de sällsynta av alla hyperoner, Omega, bestående av tre konstiga kvarker. Vidare, gruppen utvecklade också sina egna ramar som kan producera teoretiska förutsägelser.

"Min TUM -grupp har öppnat en ny väg för kärnfysik vid LHC, en som involverar alla typer av kvarker, nå en oväntad precision på en plats som ingen har tittat på hittills, "säger professor Fabbietti. Arbetet som nu publiceras i" naturen "presenterar bara några av de många interaktioner som mäts för första gången.

Innehåller neutronstjärnor hyperoner?

Att förstå samspelet mellan hyperoner och nukleoner är också oerhört viktigt för att testa hypotesen om neutronstjärnor innehåller hyperoner. De krafter som finns mellan partiklarna har ett direkt inflytande på storleken på en neutronstjärna.

Än så länge, förhållandet mellan massan och radien för en neutronstjärna är okänt. I framtiden, Professor Fabbiettis arbete kommer därför också att hjälpa till att lösa gåtan om neutronstjärnorna.