I ricercatori, guidati dagli scienziati del Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), hanno identificato la fonte di una sorprendente abbondanza di raggi gamma a bassa energia emessi dal nucleo di zinco-70. I loro risultati mostrano che le transizioni magnetiche che avvengono all’interno del nucleo producono questo segnale inatteso.
I risultati, pubblicati su Nature nello studio “Magnetic Character of the Low-Energy Enhancement in 70Zn”, risolvono un annoso quesito nella fisica nucleare e potrebbero migliorare i modelli scientifici sulla creazione di elementi pesanti nello spazio.
La collaborazione internazionale ha riunito ricercatori provenienti da 25 istituzioni negli Stati Uniti, in Canada, Italia, Germania, Norvegia e Corea del Sud.
Un sorprendente segnale di raggi gamma
I raggi gamma appartengono alla stessa ampia famiglia di radiazioni elettromagnetiche della luce visibile e delle onde radio. Quando un nucleo atomico eccitato passa a uno stato energetico inferiore e più stabile, può rilasciare energia sotto forma di raggi gamma.
Gli scienziati misurano la frequenza con cui i nuclei emettono raggi gamma a diverse energie utilizzando una grandezza nota come funzione di intensità dei raggi gamma.
Le transizioni tra gli stati energetici nucleari vengono descritte come elettriche o magnetiche. Ciascun tipo riflette un diverso modo in cui protoni e neutroni si riorganizzano all’interno di un nucleo prima di emettere raggi gamma.
Per decenni, gli scienziati hanno rilevato un inspiegabile aumento del numero di raggi gamma a bassa energia emessi da alcuni nuclei. Questa caratteristica, nota come potenziamento a bassa energia (LEE), appare nella funzione di intensità dei raggi gamma, ma i ricercatori non erano stati in grado di determinarne la causa.
All’esperimento hanno partecipato scienziati provenienti da diversi laboratori nazionali, tra cui il Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e il Los Alamos National Laboratory (entrambi laboratori della National Nuclear Security Administration, o NNSA); il Lawrence Berkeley National Laboratory; e il Pacific Northwest National Laboratory.
Il lavoro svolto riflette inoltre la più ampia collaborazione del FRIB con i laboratori nazionali, che promuove lo scambio di conoscenze tra la ricerca fondamentale e le applicazioni per la sicurezza nazionale. Allo stesso tempo, il programma offre a studenti e giovani ricercatori una formazione pratica a supporto della futura forza lavoro nel settore nucleare.
“Questo incremento a bassa energia non era previsto dalla teoria, quindi è stato una sorta di shock per la comunità scientifica quando è stato osservato per la prima volta”, ha affermato Eleanor Ronning, autrice principale dello studio ed ex studentessa di dottorato del FRIB, ora ricercatrice post-dottorato presso l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare di Padova. “È difficile prevedere dove si verifica l’incremento a bassa energia: non sappiamo quali nuclei lo manifesteranno.”
Le nuove misurazioni forniscono una solida prova che le transizioni magnetiche all’interno del nucleo sono responsabili dell’aumento.
“Questo è un passo avanti fondamentale”, ha affermato Andrea Richard, co-responsabile dello studio, professoressa associata e direttrice ad interim dell’Edwards Accelerator Laboratory presso l’Ohio University. “Ora disponiamo di una spiegazione coerente che collega le osservazioni sperimentali alla teoria.”
Perché questa scoperta è importante per l’astrofisica
La spiegazione dell’effetto Leech (LEE) è importante per comprendere la struttura interna dei nuclei, ma la sua importanza si estende ben oltre la fisica nucleare.
Questo potenziamento può aumentare la frequenza delle reazioni di cattura di neutroni oltre quanto gli scienziati normalmente prevedrebbero. Tali reazioni svolgono un ruolo centrale nella produzione di elementi pesanti durante eventi cosmici estremi, tra cui supernove e fusioni di stelle di neutroni.
In molti nuclei diversi, gli effetti combinati dell’interazione laser-elettrone (LEE) possono modificare sostanzialmente i tassi di reazione calcolati. Tali modifiche possono influenzare i modelli di attività nucleare all’interno delle stelle, i sistemi di energia nucleare e le applicazioni di sicurezza nazionale della NNSA.
Misurare un effetto debole e sfuggente
Lo studio del fenomeno LEE si è rivelato particolarmente difficile perché gli scienziati non riescono a prevedere con precisione dove si manifesterà. Il suo segnale è inoltre debole e può essere oscurato dal rumore di fondo, rendendo indispensabili apparecchiature di alta precisione e metodi di analisi avanzati.
“La nostra collaborazione si è dedicata per oltre un decennio alla ricerca di metodi per identificare la natura di questo aumento di emissione di raggi gamma a bassa energia“, ha affermato Artemis Spyrou, professore di fisica al FRIB e al Dipartimento di Fisica e Astronomia della Michigan State University. “Questo risultato è stato possibile solo grazie allo sviluppo di nuove capacità sperimentali e nuove tecniche di analisi che non esistevano quando abbiamo iniziato.”
Sean Liddick, professore di chimica al FRIB, presidente ad interim del Dipartimento di Chimica della MSU e relatore di tesi di Ronning, ha affermato che lo studio si è basato su risorse sperimentali disponibili solo al FRIB.
“Abbiamo utilizzato una tecnica sperimentale innovativa che combina strumenti specializzati in modo da sfruttare al meglio l’intera struttura”, ha affermato Liddick. “È entusiasmante vedere che questo impegno abbia portato a un risultato così chiaro.”
Due percorsi per ottenere lo zinco-70
I ricercatori si sono concentrati sullo zinco-70, un nucleo che si ritiene mostri un incremento a bassa energia e la cui disposizione dei livelli energetici è già ben nota. Invece di studiare direttamente lo zinco-70, hanno esaminato il decadimento beta di due stati distinti del suo nucleo progenitore, il rame-70.
Il team ha isolato il rame-70 in due forme: il suo stato fondamentale e uno stato eccitato, o isomerico. Questi due stati hanno fornito percorsi separati per la sintesi dello zinco-70.
Ciascun percorso ha riempito una diversa combinazione di livelli energetici all’interno dello zinco-70, consentendo ai ricercatori di osservarne la struttura nucleare da due prospettive complementari.
Per produrre i due percorsi era necessario utilizzare fasci di ioni di rame-70 di eccezionale purezza. I ricercatori li hanno creati con il LEBIT (Low Energy Beam and Ion Trap), uno spettrometro di massa ad alta precisione del FRIB.
“Abbiamo utilizzato LEBIT in questo modo per la prima volta”, ha affermato Ryan Ringle, professore associato di fisica al FRIB e responsabile del gruppo LEBIT. “È stata una sfida interessante, che ha offerto ulteriori opportunità di formazione ai nostri studenti di dottorato. Questa nuova tecnica per la separazione degli isomeri apre la strada allo studio di molti più nuclei e stimola lo sviluppo di nuove tecnologie per ampliare le nostre capacità in questo campo.”
Le transizioni magnetiche rivelano la risposta
I raggi gamma emessi dallo zinco-70 sono stati registrati con il rivelatore Summing NaI, o SuN. I ricercatori hanno quindi utilizzato due approcci analitici, il metodo beta-Oslo e il metodo Shape, per determinare la funzione di intensità dei raggi gamma associata a ciascuno stato iniziale.
Il confronto tra le due funzioni di intensità ha permesso al team di determinare in modo definitivo che le transizioni magnetiche all’interno del nucleo producono l’incremento di bassa energia.
Il risultato offre ai teorici della fisica nucleare un nuovo punto di riferimento sperimentale e fornisce una strategia per studiare il fenomeno in altri nuclei.
“Non vediamo l’ora di applicare questa tecnica di separazione degli isomeri a un numero maggiore di nuclei”, ha affermato Liddick. “Sapere quali nuclei dovrebbero mostrare questo incremento a bassa energia è fondamentale per progettare esperimenti che li studino in strutture come FRIB e per migliorare i modelli di come gli elementi vengono creati negli ambienti astrofisici.”
Formazione dei futuri scienziati nucleari
Il progetto dimostra inoltre il valore della collaborazione tra istituzioni, ricercatori affermati, studenti e borsisti post-dottorato.
Ronning e Richard hanno contribuito alla stesura della proposta sperimentale durante il secondo bando di proposte del FRIB, indetto dal suo Comitato consultivo del programma. Entrambi erano all’inizio della loro carriera: Ronning era uno studente di dottorato al FRIB, mentre Richard era un ricercatore post-dottorato al LLNL.
Dopo aver completato il suo primo incarico post-dottorato presso la MSU, dove si è occupata di astrofisica nucleare e sicurezza nazionale, Richard ha cercato opportunità che collegassero la scienza fondamentale con gli obiettivi della missione della NNSA. Questo percorso l’ha portata a un altro incarico post-dottorato presso il LLNL.
Attualmente in servizio presso l’Università dell’Ohio, continua a contribuire sia alla ricerca di base che alle iniziative in materia di sicurezza nazionale.
“La competenza congiunta dei nostri team di ricerca è ciò che ha reso tutto questo possibile”, ha affermato Richard. “È stato un privilegio lavorare con i vari team di diverse istituzioni nel corso degli anni. È stata un’esperienza formativa fondamentale per me, un ricercatore all’inizio della mia carriera.”
Per Ronning, la pubblicazione ha segnato il completamento di un progetto che aveva contribuito a guidare fin dalle sue fasi iniziali.
“Lavorare all’intero processo, dalla stesura della proposta e dall’esecuzione dell’esperimento fino alla pubblicazione dell’articolo su Nature , è stata un’esperienza gratificante”, ha affermato Ronning.
Questa ricerca si basa su un lavoro finanziato dall’Ufficio del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, dalla National Science Foundation degli Stati Uniti, dalla National Nuclear Security Administration, dal Programma statunitense per i dati nucleari, dal Consiglio norvegese per la ricerca, dal Centro norvegese per la ricerca nucleare, dal Consiglio canadese per la ricerca nelle scienze naturali e ingegneristiche e dalla Fondazione canadese per l’innovazione.
Abstract
La transizione di un nucleo atomico da uno stato eccitato a uno stato di energia inferiore è tipicamente accompagnata dall’emissione di fotoni. La probabilità di emissione di fotoni è una funzione dell’energia del fotone e delle proprietà degli stati nucleari iniziale e finale ed è nota come funzione di forza del fotone (o del raggio γ) (γSF). Tra le caratteristiche presenti nella γSF, in alcuni nuclei è stato osservato un incremento nella regione a bassa energia, ma la natura elettromagnetica di questo incremento rimane una questione aperta. Questo incremento a bassa energia nella γSF ha un impatto significativo sulla nostra comprensione di come vengono creati gli elementi nelle stelle e sulla struttura del nucleo. Qui presentiamo i risultati di un esperimento sul γSF di 70 Zn che dimostrano che l’aumento della γSF di questo nucleo è di natura magnetica. Questa osservazione aiuta a rispondere a una questione a lungo irrisolta sulle γSF nei nuclei atomici e ha un impatto diretto sulle nostre capacità predittive nella scienza nucleare.
Materiale fornito dalla Michigan State University . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
E. K. Ronning, A. L. Richard, S. N. Liddick, A. Spyrou, R. Ringle, H. Arora, H. C. Berg, J. M. Berkman, D. L. Bleuel, K. Bosmpotinis, S. E. Campbell, X. Chen, B. P. Crider, R. J. Coleman, P. A. DeYoung, A. A. Doetsch, H. Erington, T. Gaballah, N. D. Gamage, E. C. Good, B. Greaves, A. C. Hartley, J. Huffman, C. M. Ireland, C. Izzo, R. Jain, A. C. Larsen, J. E. L. Larsson, R. S. Lubna, F. M. Maier, M. J. Mogannam, D. Mücher, M. R. Mumpower, G. Owens-Fryar, T. H. Ogunbeku, D. P. Scriven, M. K. Smith, C. S. Sumithrarachchi, A. Sweet, K. Taft, A. Tsantiri, S. Uthayakumaar, M. Wiedeking. Magnetic character of the low-energy enhancement in 70Zn. Nature, 2026; 655 (8124): 875 DOI: 10.1038/s41586-026-10758-3
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