Timp de aproape un secol, fizicienii au studiat nucleul atomic, mica regiune din inima atomilor. Știm că aceste nuclee sunt formate din protoni și neutroni, ei înșiși formați din particule și mai mici, quarcurii, legate între ele prin gluoni. În ciuda acestor cunoștințe, reproducerea tuturor proprietăților nucleelor atomice observate în experimentele nucleare folosind doar quarcuri și gluoni s-a dovedit a fi o provocare majoră. Numai recent fizicienii, în special cei de la Institutul de Fizică Nucleară al Academiei Poloneze de Științe din Cracovia, au reușit să depășească acest obstacol.
În prima jumătate a secolului al XX-lea, fizicienii au descoperit că nucleul atomic, care constituie cea mai mare parte a masei atomilor, este format din protoni (încărcați pozitiv) și neutroni (neîncărcați). Aceste două particule, cunoscute și sub numele de nucleoni, formează împreună nucleul. Timp de câteva decenii, acești nucleoni au fost considerați a fi cele mai mici elemente constitutive ale materiei. În anii 1960, noi cercetări au arătat apoi că protonii și neutronii sunt la rândul lor formați din particule mai fundamentale, numite quarcuri, ținute împreună de gluoni, particule care exercită o forță extrem de puternică. Acest model al materiei, bazat pe quarcuri și gluoni, a revoluționat înțelegerea fizicii particulelor.
Totuși, această descoperire a ridicat o problemă majoră pentru fizicieni. La energii joase, în condițiile normale pe care le întâlnim în fiecare zi, protonii și neutronii acționează ca particule distincte și independente. Aceasta înseamnă că le putem considera separat. Atunci când nucleele atomice sunt examinate în condiții de energie foarte mare, cum ar fi cele create în acceleratoarele de particule, quarcurile și gluonii care alcătuiesc acești protoni și neutroni devin vizibili. Acest lucru dezvăluie structura lor internă și arată că aceste particule nu se comportă ca entități separate.
Până de curând, nu exista niciun model capabil să facă legătura între aceste două aspecte: pe de o parte, comportamentul protonilor și neutronilor la energie scăzută, iar pe de altă parte, structura quarcurilor și gluonilor la energie ridicată. Prin urmare, fizicienii au încercat să unifice aceste două descrieri pentru a înțelege mai bine modul în care aceste componente fundamentale interacționează în nucleul atomic. Cercetătorii de la Institutul de Fizică Nucleară din Cracovia au utilizat datele obținute în urma coliziunilor la energie foarte înaltă efectuate la Large Hadron Collider (LHC) al CERN. Datorită acestor experimente, ei au putut studia partonii, adică quarcurile și gluonii care se găsesc în interiorul protonilor și neutronilor. Rezultatele obținute au fost prezentate într-un articol publicat în Physical Review Letters.
Combinând datele obținute în urma coliziunilor de joasă energie, în care sunt observabili doar protonii și neutronii, cu datele obținute în urma coliziunilor de înaltă energie, oamenii de știință au elaborat un model unificat. Acest model explică comportamentul nucleelor atomice în diferite regimuri energetice și oferă o mai bună înțelegere a structurii lor interne. Adevărata inovație a acestei cercetări constă în aplicarea modelelor care descriu interacțiunile dintre protoni și neutroni la energii joase la coliziunile la energii înalte. Acest lucru a făcut posibilă obținerea unei descrieri mai precise a nucleelor atomice și înțelegerea modului în care quarcurile și gluonii interacționează în aceste condiții extreme.
Cercetătorii și-au testat modelul pe optsprezece nuclee atomice, de la cele mai ușoare, precum carbonul, la cele mai grele, precum aurul și plumbul. Rezultatele au arătat o concordanță excelentă cu datele experimentale, confirmând faptul că, în cadrul nucleelor grele, majoritatea perechilor de nucleoni corelați sunt formate dintr-un proton și un neutron. Această descoperire reprezintă un important pas înainte, deoarece ne îmbunătățește interpretarea datelor obținute în urma experimentelor la energii înalte și joase.
Importanța acestei descoperiri constă în faptul că deschide noi perspective pentru fizica nucleară. Prin unificarea celor două descrieri ale nucleelor atomice, cercetătorii au făcut un pas esențial către o mai bună înțelegere a interacțiunilor fundamentale care guvernează materia. Acest progres ar putea avea repercusiuni majore nu numai pentru cercetarea teoretică, ci și pentru aplicațiile practice în domenii precum fizica particulelor și cercetarea în domeniul energiei nucleare. În plus, această unificare permite cercetătorilor să studieze nucleele atomice individuale cu o mai mare precizie și să înțeleagă mai bine distribuția quarcurilor și gluonilor în aceste nuclee. De asemenea, ar putea conduce la progrese în acceleratoarele de particule și în experimentele de coliziune de înaltă energie, care sunt esențiale pentru explorarea limitelor înțelegerii noastre a Universului.
