La maggior parte della materia ordinaria – la stessa di cui siamo fatti – è tenuta insieme da un’invisibile colla subatomica nota come forza nucleare forte: si tratta di una delle quattro forze fondamentali presenti in natura, insieme alla gravità, all’elettromagnetismo e alla forza debole. La forza nucleare forte è responsabile della spinta e dell’attrazione tra protoni e neutroni nel nucleo di un atomo e gli impedisce di collassare su se stesso.

Nei nuclei atomici, la maggior parte dei protoni e dei neutroni sono abbastanza distanti da consentire ai fisici di prevedere con precisione le loro interazioni. Tuttavia, queste previsioni sono messe in discussione quando le particelle subatomiche sono così vicine da essere praticamente una sopra l’altra.

Se tali interazioni a distanza ultra-corta sono rare nella maggior parte della materia presente sulla Terra, non è così per i nuclei di stelle di neutroni e altri oggetti astrofisici estremamente densi. Capire come la forza nucleare forte agisce a distanze così brevi è una delle sfide gli scienziati stanno affrontando. Ora, per la prima volta, i fisici del Massachusetts Institute of Technology (Mit) sono riusciti a caratterizzare la forza nucleare forte e le interazioni tra protoni e neutroni su distanze estremamente brevi

Per farlo, hanno esaminato le interazioni registrate nella miniera di dati raccolti dal Clas, un rilevatore di particelle che si trova presso il Jefferson Laboratory, scoprendo che quando la distanza tra protoni e neutroni si riduce, si verifica una sorprendente transizione nelle interazioni tra le particelle.

Se a grandi distanze, la forza nucleare forte agisce principalmente per attirare un protone verso un neutrone, a distanze molto brevi tale forza sembra comportarsi diversamente: le interazioni avvengono non solo per attirare un protone verso un neutrone, ma anche per respingere o allontanare coppie di neutroni.

«Si tratta del primo esame dettagliato di ciò che accade alla forza nucleare forte a distanze molto brevi», afferma Or Hen, del Mit. «Questo ha enormi implicazioni, principalmente per le stelle di neutroni, nonché per la comprensione dei sistemi nucleari nel loro insieme». «L’idea di un nucleo repulsivo nel contesto della forza nucleare forte è qualcosa di mitico, che esiste ma che non sappiamo raggiungere, come un portale per un altro reame», afferma uno dei primi autori, Axel Schmidt. «Ora abbiamo le prove che questa transizione ci sta guardando negli occhi, ed è davvero sorprendente».

I ricercatori ritengono che tale transizione potrebbe aiutare a capire meglio la struttura delle stelle di neutroni. Il nuovo studio suggerisce infatti che quando le particelle hanno una densità estremamente alta e sono separate da distanze più brevi, la forza nucleare forte genera una forza repulsiva tra i neutroni che, al centro di una stella di neutroni, aiuta a prevenire il collasso della stella stessa.

I risultati dello studio sono apparsi sulla rivista Nature.