Potrebbe essere possibile stipare più neutroni nei nuclei atomici di quanto si pensasse in precedenza | Scienza

Una nuova forma di sodio, l’elemento che si combina con il cloro per formare il sale, racchiude nel suo nucleo atomico ben 28 neutroni, insieme agli 11 protoni che ne definiscono l’identità chimica. Con più del doppio dei 13 neutroni nel sodio naturale, l’isotopo ricco di neutroni dell’elemento è così estremo che pochi modelli teorici ne prevedevano l’esistenza. “È una sorpresa che questi neutroni continuino a resistere”, afferma Katherine Grzywacz-Jones, fisica nucleare dell’Università del Tennessee, a Knoxville, che non è stata coinvolta nel lavoro.

I ricercatori del RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science in Giappone hanno creato solo una manciata di nuclei di sodio-39. Ma la loro mera esistenza sfida la comprensione della struttura nucleare da parte dei fisici. Suggerisce inoltre che tracciare il processo mediante il quale le stelle esplosive forgiano molti elementi, l’obiettivo di una nuova importante struttura negli Stati Uniti, potrebbe essere più difficile di quanto si pensasse.

Tre anni fa, un esperimento con l’acceleratore di particelle del centro RIKEN, un ciclotrone superconduttore chiamato Radioactive Isotope Beam Factory, ha prodotto un accenno allettante di un singolo nucleo di sodio-39. “Pertanto, abbiamo ripetuto l’esperimento con un’intensità del raggio molto più elevata e un tempo del raggio più lungo”, afferma Toshiyuki Kubo, un fisico nucleare di RIKEN.

Il team di Kubo, composto da 26 membri, ha sparato un raggio di nuclei di calcio-48 attraverso un bersaglio di berillio per distruggerli e ha incanalato i frammenti attraverso una catena di magneti a scatto chiamata BigRIPS. I ricercatori hanno messo a punto quella chicane in modo che solo il sodio-39 o un nucleo con un rapporto massa-carica simile potessero attraversare lo slalom. L’energia che un nucleo ha depositato in un rivelatore alla fine ha rivelato la sua carica. Dalla carica e dalla massa, Kubo e colleghi potrebbero facilmente calcolare i protoni e i neutroni di un nucleo. Sparando 500 quadrilioni di nuclei di calcio-48 attraverso il bersaglio, hanno aggiunto nove nuclei di sodio-39, riportano in un documento in stampa a Lettere di revisione fisica.

Prevedere quali combinazioni di protoni e neutroni si legheranno in un nucleo può essere complicato. Protoni e neutroni si uniscono scambiando particelle chiamate pioni e un effetto meccanico quantistico favorisce nuclei con un numero simile di protoni e neutroni. Ma i protoni caricati elettricamente si respingono l’un l’altro, inclinando l’equilibrio verso un minor numero di protoni. I nuclei variano anche da un singolo protone a centinaia di protoni e neutroni e diversi approcci teorici tendono a funzionare meglio in diversi intervalli di massa.

“Di gran lunga la maggior parte dei modelli non prevedeva che il sodio-39 dovesse essere legato”, afferma Brad Sherrill, fisico nucleare della Michigan State University e autore dell’articolo. Tuttavia, 2 anni fa, Witold Nazarewicz, un teorico nucleare presso lo stato del Michigan, e colleghi hanno cercato di prevedere tutti i possibili nuclei calcolando la media delle previsioni del modello, ciascuna ponderata dalla sua incertezza. Ciò dava una probabilità del 50% che il sodio-39 esistesse. “È il [RIKEN] risultato sorprendente?” ha detto Nazarewicz. “No. È importante? Sì.”

Aggiunge un dettaglio importante al panorama nucleare, dice. I fisici tracciano i nuclei noti e previsti su un grafico a scacchiera, con il numero di protoni che si arrampicano verticalmente e il numero di neutroni che aumenta da sinistra a destra. I nuclei formano un’ampia fascia diagonale attraverso il grafico, il cui bordo inferiore è chiamato linea di gocciolamento dei neutroni. Segna il limite al quale diventa impossibile stipare più neutroni in un nucleo con un dato numero di protoni. Ed è noto solo fino al neon, elemento 10.

L’ala gocciolante di neutroni ha già offerto sorprese. Ad esempio, si passa da 16 neutroni per l’ossigeno (elemento 8) a 22 neutroni per il fluoro (elemento 9). Per spiegare quel salto, i teorici hanno dovuto includere le forze non solo tra le coppie di protoni e neutroni in un nucleo, ma anche tra i trii, dice Sherrill. Qualche altro pezzo di fisica trascurato potrebbe spiegare perché la linea gocciolante sembra saltare di quattro neutroni dal neon-34 al sodio-39.

I risultati potrebbero complicare un obiettivo per i fisici. La metà di tutti gli elementi più pesanti del ferro emergono dalle esplosioni di supernova, poiché i nuclei assorbono rapidamente i neutroni che scaturiscono dall’esplosione anche se decadono ripetutamente beta radioattivi, in cui un neutrone in un nucleo sputa un elettrone e si trasforma in un protone. L’identificazione precisa dei nuclei nel processo è una priorità per un nuovo acceleratore lineare da 730 milioni di dollari chiamato Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) nello stato del Michigan. Se la linea di gocciolamento si trova più lontano, quei nuclei potrebbero contenere più neutroni ed essere più difficili da produrre, dice Sherrill.

I primi risultati di FRIB, che si è acceso a maggio, esaminano i nuclei vicini al sodio-39. I ricercatori hanno anche triturato un raggio di calcio-48 per creare isotopi ricchi di neutroni di magnesio, alluminio, silicio e fosforo, gli elementi che seguono il sodio, e hanno misurato la velocità con cui decadono beta, riporta il team in un documento in stampa a Lettere di revisione fisica. In un altro bocconcino per informare i modelli, l’emivita del magnesio-38 era sorprendentemente breve, afferma Heather Crawford, fisica nucleare del Lawrence Berkeley National Laboratory e autrice principale.

Per l’esperimento di Crawford, FRIB ha prodotto un raggio un dodicesimo più intenso di quello dello studio RIKEN. In pochi anni, FRIB dovrebbe aumentare la sua intensità del raggio di 400 volte, rendendo possibile tracciare la linea di gocciolamento dei neutroni più in alto della carta, osserva Crawford. “Mentre FRIB sale al potere, questa è una delle prime cose che mi aspetto verrà perseguita”.

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