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[Basics] Danza di nucleoni

Seguendo la scrittura dell’articolo sulla Fisica Nucleare continuerò a parlare di Fisica facendo divulgazione sulle ultime novità e recenti scoperte, cercando di mantenere la sezione sufficientemente aggiornata. In questo articolo tratterò le basi della materia illustrando ulteriormente le scuole di pensiero degli ultimi anni relative alla struttura nucleare e a quello che ho identificato precedentemente come “separazione e riunione dei gradi di libertà”. Contestualmente inaugurerò una nuova categoria del blog, Ph.ringe, per parlare di questa frontiera della scienza.

La trattazione dei sistemi a molti corpi quantistici è un delicato e tutt’ora irrisolto problema di fisica quantistica molto generale.

Sistemi a molti corpi quantistici sono gli elettroni attorno ai nuclei o lungo solidi, molecole intere così come i nuclei stessi. Le applicazioni delle diverse soluzioni del problema multicorpi spaziano dalla chimica, alla fisica dello stato solido, o a quella dei gas freddi (atomi, solitamente di gas nobili, intrappolati da laser che simulano temperature vicinissime allo zero assoluto e facilmente regolabili), per arrivare fino alla fisica nucleare e alla fisica delle particelle con lo studio dell’equazione di stato della materia barionica ad alta densità (che può dar luogo a fenomeni esotici come la superfluidità di colore). Uno degli affascinanti aspetti di questa disciplina è anche il salto da una scala all’altra, trattando sistemi fisici diversi con un formalismo simile.

Tuttavia, ogni sistema ha le sue particolarità che lo rendono unico e interessante da studiare. Ho già accennato nel primo articolo sulla Fisica Nucleare, che il punto di partenza nella trattazione del problema a molti corpi è separare i gradi di libertà differenti come quelli collettivi da quelli di _particella indipendente. _Nell’articolo sulle proprietà emergenti ho introdotto le diverse scale riguardanti il sistema nucleare e mostrato come la scala di nucleo collettivo “soffice” differisca da quella di _particella indipendente _di circa 1 MeV contro circa 8 MeV.

Come in una danza, esistono sia movimenti collettivi di tutto il corpo di ballo, sia movimenti individuali dei solisti e gli uni influenzano gli altri.

Infatti, una volta separati i gradi di libertà per ricostruire tutta l’informazione, essi vanno riaccoppiati. Questo è importante specialmente se l’accoppiamento è molto intenso e se la differenza di energia non è molta (è indicativo il rapporto fra l’intensità dell’accoppiamento e la differenza fra le energie), e nel caso del nucleo atomico questo è storicamente considerato un contributo molto importante, rispetto che in altri sistemi. La dimensione storica è centrale nella scienza e questo tipo di approccio è stato applicato a ogni ambito della fisica quantistica a molti corpi. Quindi, fin dagli albori della trattazione del sistema nucleare, anch’esso è stato approcciato come sistema quantistico multicorpi, a più riprese in modo via via più sistematico, mano a mano che le possibilità tecniche e i progressi teorici dell’epoca lo permettevano.

Il modello a shell è uno dei primi casi: sviluppato nel dopoguerra e mutuato dalla fisica atomica, dove determina la chimica degli elementi e la loro posizione nella tavola periodica, per il quale Maria Goeppert-Mayer ricevette il premio Nobel, congiuntamente con Jensen, nel ‘63. La superfluidità nucleare fu anche scoperta in analogia con la spiegazione della teoria multicorpi del fenomeno atomico della superfluidità, da Aage Bohr (figlio del più famoso Niels), Ben Mottelson e David Pines nel ‘58. La prima sistematica e completa descrizione del nucleo atomico come sistema quantistico a multicorpi -includendo la divisione dei gradi di libertà di particella indipendente; moto collettivo; come derivare il moto collettivo partendo dalle particelle singole; e infine come riaccoppiare consistentemente entrambi i gradi di libertà - la diedero gli stessi Bohr e Mottelson in una serie di libri “Nuclear Structure”. Originariamente i volumi avrebbero dovuto essere tre, uno per ogni gradino del programma multicorpi (moto indipendente, collettivo, riaccoppiamento), ma gli ultimi due sono stati poi uniti in un unico tomo per ragioni che nulla hanno a che vedere con la scienza. Ciò nonostante, questo libro in due volumi valse a Bohr e Mottelson il premio Nobel nel ‘75.

Una volta scoperto il collegamento fra particella indipendente e moto collettivo è stato importante individuarne l’entità e rilevanza, cosa che ha ricevuto diversi contributi lungo gli anni di crescente sofisticazione e differente approccio (‘85, ‘93, ‘99, ‘02).

** Il dibattito odierno si snocciola fra chi reputa questo collegamento, nella danza dei protoni e neutroni (nucleoni), estremamente importante per una serie di osservabili nucleari, e chi si concentra di più sui singoli gradi di libertà giudicando il riaccoppiamento meno influente**.

  • I primi annoverano in generale chi si occupa di “teorie oltre il campo medio”, che in Italia aveva il suo centro nevralgico nei gruppi di ricerca della Statale di Milano coadiuvati dal Prof. Broglia, con una tradizione discendente dal centro di Copenhagen e Bohr e Mottelson. Il sottoscritto ha fatto part di questi, cercando di motivare una serie di osservabili, dal trasferimento di particelle alla superfluidità nucleare, con la correlazione fra particelle e vibrazioni in questa danza.
  • I secondi contano sul contributo di molti che si occupano di teorie esclusivamente di “campo medio” (e relativa proiezione). Recentemente il Prof. Dobaczewski ha anche trovato che, eseguendo i calcoli con una consistenza particolarmente stringente, il realtà questa correlazione è più debole del previsto e le particelle indipendenti hanno il contributo dominante.

La differenza sta nel tipo di approccio, io utilizzo un approccio più fenomenologico e vicino ai risultati sperimentali, Dobaczewski più consistente con l’interazione di partenza. Entrambi cioè abbiamo ragione, io sono giudato dall’esperimento cercando di capire all’interno di quel modello i contributi importanti, lui dal modello stesso cercando di trovare i limiti del modello ben sapendo che in realtà l’ultima parola in questo discorso, specialmente se limitati dall’interazione, deve ancora arrivare. Come accennato nel primo articolo sulla Fisica Nucleare, le interazioni odierne introducono inconsistenze nel trattamento del riaccoppiamento particella-vibrazione, quindi un utilizzo consistente delle loro proprietà ha senso solo limitato allo studio in sé. Ovvero quando finiremo di sviluppare la nuova interazione, le sue proprietà andranno studiate nuovamente.

Fermo restando che, indipendentemente dalle inconsistenze di base, è chi riproduce i dati sperimentali ad aver ragione. A ben guardare la divisione stessa in particelle indipendente e moto collettivo nella danza dei nucleoni, per quanto funzionale, è una convenzione che dipende dalla scelta di base, come è stato formalizzato da Duguet l’anno scorso. Similmente a come il moto degli oggetti varia a seconda dell’osservatore, anche il moto dei nucleoni e il bilanciamento fra le due categorie in cui si suddivide convenzionalmente può variare. Quindi, anche la discussione di sopra rimane relativa non solo all’interazione, ma anche al modello scelto, nonostante si prosegua in un sistema di riferimento motivato storicamente, ovvero che garantisce una descrizione conveniente.

In altre parole, scelta l’interazione e il modello, nel caso in cui l’accoppiamento fra le particelle indipendenti e moti collettivi sia piccolo potrebbe convenire descrivere la struttura nucleare senza riaccoppiare, tuttavia le reazioni nucleari e gli stati ad alta energia potrebbero essere molto difficili da descrivere. Nel caso contrario invece, considerando un forte accoppiamento, una descrizione consistente sia di struttura che di reazioni nucleari sarebbe più a portata, anche se la descrizione della struttura nucleare in se necessiterebbe del riaccoppiamento.

Quindi, a questo punto che avete le idee chiare, provo a proporvi un piccolo problema:
Le stelle di Neutroni sono ambienti molto particolari, dove pochi protoni sono immersi in un vasto mare di neutroni. Mano a mano che si va nelle viscere della stella la pressione aumenta e i pochi protoni all’interno si ammassano un pochino più numerosi. Calcolare questa configurazione non è banale: un calcolo completo è numericamente delicato. La domanda, che mi hanno fatto pochi giorni fa, e che ancora attende ancora risposta, è: Considerando quindi quanto detto sopra sulla danza dei nucleoni, è secondo voi possibile disaccoppiare in modo semplice i protoni dal mare dei neutroni?

Io ho già un’idea, ma chi mi desse una ulteriore buona idea sarà ringraziato e menzionato in un eventuale articolo. 😉

Per commenti, scrivimi ad andrea (punto) idini (at) gmail (punto) com. Static web, no cookies collected.