Nuclei atomici frantumati: rivelando le loro forme misteriose

Nuclei atomici frantumati: rivelando le loro forme misteriose

I fisici hanno scoperto un nuovo modo per studiare la forma dei nuclei atomici: distruggendoli in collisioni ad alta energia. Questo metodo potrebbe aiutare gli scienziati a comprendere meglio la forma dei nuclei, che influenza, ad esempio, il tasso di formazione degli elementi nelle stelle e aiuta a determinare quali materiali sono più adatti come 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 il 6 novembre sulla rivista Nature, rappresenta "un progresso importante ed entusiasmante", ha affermato Meng.

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. Si sono scontrati "così violentemente che praticamente abbiamo sciolto i nuclei in una zuppa", afferma il coautore Jiangyong Jia, fisico della Stony Brook University di New York.

Il plasma caldo creato dalle collisioni si espandeva molto rapidamente sotto pressione, e questo era legato alla forma iniziale dei nuclei. Utilizzando un rilevatore chiamato Solenoidal Tracker del RHIC, o STAR, che ha rilevato la quantità di moto di diverse migliaia di particelle prodotte da entrambi i tipi di collisioni e ha confrontato i risultati con i modelli, il team è stato in grado di "portare indietro l'orologio per dedurre la forma dei nuclei", spiega Jia.

Figure nascoste

Un nucleo atomico è costituito da protoni e neutroni, che occupano livelli energetici come gli elettroni. In generale, le particelle assumono una forma che minimizza l'energia del sistema. Simile a una goccia d'acqua, il nucleo può assumere varie 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 teoricamente”, afferma Jia. Anche lei può nel tempo a causa delle fluttuazioni quantistiche variare.

Precedenti esperimenti per esplorare la forma prevedevano la deviazione degli ioni a bassa energia lontano dai nuclei. Questo metodo, chiamato eccitazione di Coulomb, eccita i nuclei e la radiazione che emettono quando ritornano al loro stato fondamentale rivela aspetti della loro forma. Poiché la scala temporale è relativamente lunga, questo tipo di imaging può visualizzare solo un'immagine a lungo termine che mostra la media di tutte le fluttuazioni della forma.

Al contrario, il metodo di collisione ad alta energia fornisce un’immagine istantanea dei nuclei durante l’impatto. È un metodo più diretto, che lo rende più adatto allo studio di forme esotiche, afferma Jia.

La tecnica ha confermato che l'oro aveva una forma quasi sferica che era coerente da un'immagine all'altra. Al contrario, la forma dell’uranio è cambiata nelle istantanee quando i nuclei si sono scontrati in diversi orientamenti. Ciò ha permesso ai ricercatori di calcolare le lunghezze relative del nucleo di uranio in tre dimensioni, suggerendo che l’uranio non è solo allungato ma anche leggermente compresso in una dimensione, simile a un pallone da football americano sgonfio.

"È affascinante che abbia funzionato" e che altri processi nucleari non abbiano influenzato l'emissione delle particelle e mascherato la deformazione, afferma Magdalena Zielińska, fisica nucleare presso l'Agenzia francese per le energie alternative e l'energia atomica vicino a Parigi.

Duro o morbido?

Questo tipo di imaging potrebbe aiutare ad affrontare l'arduo compito di distinguere tra nuclei "rigidi", ovvero con forme ben definite, e nuclei "morbidi", che fluttuano, afferma Zielińska.

Jia afferma che il suo team vuole utilizzare il metodo anche per studiare le differenze tra gli ioni luminosi come l'ossigeno e il neon. I nuclei di ossigeno sono quasi sferici, mentre i nuclei di neon – che trasportano altri due protoni e due neutroni – sono considerati piegati. Confrontare le loro forme consentirebbe ai ricercatori di capire come protoni e neutroni formano cluster nei nuclei, ha detto Jia.

Le informazioni sulla forma possono anche rivelare se è probabile che i nuclei interagiscano tra loro o subiscano una reazione di fissione nucleare e possono aumentare la probabilità di un processo chiamato doppio senza neutrini decadimento β per scoprire cosa potrebbe aiutare a risolvere alcuni misteri di vecchia data della fisica. Circa il 99,9% della materia visibile si trova al centro degli atomi, afferma Jia. “Comprendere gli elementi costitutivi del nucleare è praticamente il fulcro della comprensione di chi siamo”.

1. Collaborazione STAR Natura https://doi.org/10.1038/s41586-024-08097-2 (2024).

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