All’interno del rilevatore STAR del Relativistic Heavy Ion Collider, che può tracciare le migliaia di particelle prodotte quando gli ioni si scontrano.Credito: Immagini di storia della scienza/Alamy
I fisici hanno trovato un nuovo modo per studiare la forma dei nuclei atomici, cancellandoli nelle collisioni ad alta energia. Il metodo potrebbe aiutare gli scienziati a comprendere meglio le forme dei nuclei, che, ad esempio, influenzano la velocità con cui si formano gli elementi nelle stelle e aiutano a determinare quali materiali costituiscono il miglior combustibile nucleare.
“La forma dei nuclei influenza quasi tutti gli aspetti del nucleo atomico e dei processi nucleari”, afferma Jie Meng, fisico nucleare dell’Università di Pechino. Il nuovo metodo di imaging, pubblicato in Natura il 6 novembre, si tratta di “un progresso importante ed entusiasmante”, afferma.
Il nucleo atomico assume due forme
Una squadra del Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) presso il Brookhaven National Laboratory di Upton, New York, ha fatto collidere due fasci di uranio-238 – e successivamente due raggi d’oro – a energie estreme. Li hanno colpiti “così forte che praticamente abbiamo sciolto i nuclei in una zuppa”, dice il coautore Jiangyong Jia, fisico della Stony Brook University di New York.
Il plasma caldo prodotto dalle collisioni si espandeva sotto pressione molto rapidamente, in un modo correlato alla forma iniziale dei nuclei. Utilizzando un rilevatore chiamato Solenoidal Tracker presso RHIC, o STAR, per trovare la quantità di moto di ciascuna delle migliaia di particelle create da entrambi i tipi di collisione e confrontando i risultati con i modelli, il team ha potuto “riportare indietro l’orologio per dedurre la forma di i nuclei”, dice Jia.
Figure nascoste
Un nucleo atomico è costituito da protoni e neutroni che, come gli elettroni, abitano gusci energetici. Generalmente le particelle assumono una forma che minimizza l’energia del sistema. Come una goccia di liquido, il nucleo può assumere diverse forme, tra cui quella di una pera, di un football americano o di un guscio di arachidi. La forma di un nucleo è “molto difficile da prevedere dalla teoria”, dice Jia. Può anche cambiare nel tempo a causa delle fluttuazioni quantistiche.
Esperimenti precedenti che esploravano la forma prevedevano la deviazione degli ioni a bassa energia dai nuclei. Questo metodo, chiamato eccitazione di Coulomb, eccita i nuclei e la radiazione che emettono quando ritornano allo stato fondamentale rivela aspetti della loro forma. Ma il lasso di tempo è relativamente lungo, quindi questo tipo di imaging può fornire solo uno scatto a lunga esposizione che mostra la media di eventuali fluttuazioni della forma.
“Il modello standard non è morto”: la misurazione ultraprecisa delle particelle entusiasma i fisici
Al contrario, il metodo di collisione ad alta energia fornisce un’istantanea istantanea dei nuclei durante l’impatto. È un metodo più diretto, che lo rende più adatto allo studio di forme esotiche, dice Jia.
La tecnica ha confermato che l’oro aveva una forma quasi sferica che era coerente da un’immagine all’altra. In confronto, l’uranio è cambiato attraverso le istantanee quando i nuclei si sono scontrati con orientamenti diversi. Ciò ha permesso ai ricercatori di calcolare le lunghezze relative del suo nucleo in tre dimensioni spaziali, indicando che l’uranio non è solo allungato, ma anche leggermente schiacciato in una dimensione, come un pallone da football americano sgonfio.
“Trovo affascinante che abbia funzionato” e che altri processi nucleari non abbiano influenzato l’emissione di particelle e oscurato la deformazione, afferma Magdalena Zielińska, fisica nucleare presso la Commissione francese per le energie alternative e l’energia atomica vicino a Parigi.
Duro o morbido?
Questo tipo di imaging potrebbe aiutare nell’impegnativo compito di distinguere tra nuclei “rigidi”, con forme ben definite, e nuclei “morbidi” e fluttuanti, afferma Zielińska.
Jia dice che il suo team vorrebbe applicare il metodo anche per studiare le differenze tra gli ioni più leggeri, come l’ossigeno e il neon. I nuclei di ossigeno sono quasi sferici, mentre si pensa che i nuclei di neon – che trasportano due protoni e due neutroni in più – sporgano. Confrontare le loro forme consentirebbe ai ricercatori di capire come protoni e neutroni formano cluster nei nuclei, dice Jia.
Le informazioni sulla forma possono anche rivelare se è probabile che i nuclei interagiscano o subiscano la fissione nucleare e possono aumentare la possibilità di rilevare un processo chiamato doppio decadimento β senza neutrini, che potrebbe aiutare a risolvere alcuni misteri di lunga data della fisica. Circa il 99,9% della materia visibile risiede al centro degli atomi, afferma Jia. “Comprendere gli elementi costitutivi del nucleare è fondamentalmente il cuore della comprensione di chi siamo”.
