Gli scienziati hanno annunciato un importante progresso sperimentale nella comprensione di come si formano alcuni degli elementi più rari dell’universo. Questi atomi insoliti, noti come nuclei p, sono isotopi ricchi di protoni, più pesanti del ferro, che da tempo incuriosiscono i ricercatori.
Il nuovo studio, condotto da Artemis Tsantiri, che ha svolto il lavoro come studente laureato presso il Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) e ora è ricercatore post-dottorato presso l’Università di Regina in Canada, ha raggiunto un traguardo importante. Per la prima volta, i ricercatori hanno misurato direttamente come l’arsenico-73 cattura un protone per formare il selenio-74 utilizzando un fascio di isotopi rari. Questo risultato pone nuovi limiti alla comprensione di come il nucleo p più leggero venga creato e distrutto nello spazio.
I risultati sono stati pubblicati su Physical Review Letters (“Constraint the Synthesis of the Lightest 𝑝 Nucleus 74 Se”) e ha coinvolto più di 45 scienziati provenienti da 20 istituzioni negli Stati Uniti, in Canada e in Europa.
Perché alcuni elementi restano un mistero
Uno degli obiettivi principali dell’astrofisica nucleare è comprendere l’origine degli elementi. Molti elementi più pesanti del ferro si formano attraverso processi di cattura neutronica, sia lenti che rapidi. In queste reazioni, i nuclei atomici assorbono ripetutamente neutroni e successivamente subiscono un decadimento radioattivo fino a raggiungere forme stabili.
Tuttavia, questa spiegazione non si applica a un gruppo speciale di isotopi ricchi di protoni. Questi nuclei p non possono essere prodotti tramite cattura neutronica. Essi coprono un intervallo che va dal selenio-74, il più leggero, al mercurio-196, il più pesante, e la loro origine è rimasta sconosciuta per decenni.
Esplosioni di supernova e processo gamma
Una delle principali spiegazioni per la creazione dei nuclei p è il processo gamma, che si verifica in alcuni tipi di esplosioni di supernova. In questi ambienti estremi, il calore intenso produce raggi gamma che strappano neutroni e altre particelle dai nuclei pesanti preesistenti.
Dopo questo processo, i nuclei rimanenti contengono più protoni che neutroni. Nel tempo, alcuni di questi nuclei convertono i protoni in neutroni, avvicinandosi a un equilibrio più stabile e formando infine i nuclei p.
Molti degli isotopi coinvolti in questo processo hanno una vita breve e sono difficili da produrre in laboratorio. Per questo motivo, gli scienziati hanno dovuto fare molto affidamento su modelli teorici piuttosto che su misurazioni dirette.
“Sebbene l’origine dei nuclei p sia oggetto di studio da oltre 60 anni, le misurazioni di reazioni importanti su isotopi a vita breve sono pressoché inesistenti”, ha affermato Tsantiri. “Esperimenti di questo tipo sono possibili solo ora grazie a strutture come FRIB.”
Ricreare una reazione stellare in laboratorio
In questo studio, i ricercatori sono riusciti a ricreare una fase chiave del processo, osservando per la prima volta la cattura di protoni sull’arsenico-73 radioattivo. A tale scopo, hanno generato un fascio di arsenico-73 specificamente per l’esperimento e lo hanno diretto in una camera riempita di gas idrogeno. L’idrogeno, che fungeva da sorgente di protoni, era posizionato al centro del rivelatore Summing Nal (SuN).
Il team ha prodotto l’arsenico-73 utilizzando l’acceleratore ReA del FRIB, che è stato fatto funzionare in una configurazione autonoma anziché affidarsi all’acceleratore lineare principale. Il gruppo di radiochimica, guidato da Katharina Domnanich, ha preparato il materiale in una forma adatta all’uso nell’esperimento. L’isotopo è stato quindi inserito in una sorgente di ioni in modalità batch, dove è stato ionizzato, accelerato ad alte energie e indirizzato verso il bersaglio. Questa configurazione ha dimostrato la flessibilità di ReA per la produzione e lo studio di isotopi rari.
Tracciamento della formazione e della distruzione del selenio-74
Durante la reazione, l’arsenico-73 assorbe un protone e si trasforma in selenio-74 in uno stato eccitato. Successivamente, emette un raggio gamma per raggiungere uno stato stabile. I ricercatori si sono concentrati sulla reazione inversa perché essa svolge un ruolo chiave nel processo gamma all’interno delle stelle. Misurando la reazione diretta, sono stati in grado di determinare la velocità con cui avviene il processo inverso.
Per comprendere la quantità di selenio-74 presente nel sistema solare, gli scienziati devono considerare sia la sua formazione che la sua distruzione. Una delle maggiori incertezze rimanenti riguarda la frequenza con cui il selenio-74 viene disintegrato dai raggi gamma durante le esplosioni stellari.
Modelli migliorati, ma restano aperti nuovi interrogativi.
Quando i ricercatori hanno integrato le loro misurazioni nei modelli astrofisici, hanno dimezzato l’incertezza nella previsione dell’abbondanza di selenio-74. Ciò rappresenta un significativo miglioramento nella comprensione di come viene prodotto questo isotopo.
Ciononostante, i modelli aggiornati non corrispondono ancora completamente a quanto osservato in natura. Questa discrepanza suggerisce che gli scienziati potrebbero dover affinare le proprie ipotesi sulle condizioni all’interno delle esplosioni di supernova.
“Questi risultati ci avvicinano di un passo alla comprensione delle origini di alcuni degli isotopi più rari dell’universo”, ha affermato Artemis Spyrou, professore di fisica al FRIB e presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia della Michigan State University, supervisore della ricerca di Tsantiri e ideatore dell’esperimento. “Il lavoro di Tsantiri è un ottimo esempio delle collaborazioni multidisciplinari necessarie per far progredire il settore e del tipo di opportunità di sviluppo professionale offerte ai giovani ricercatori al FRIB.”
Collaborazione e supporto
Questa ricerca è stata parzialmente finanziata dall’Ufficio di Fisica Nucleare dell’Ufficio della Scienza del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti; dalla National Science Foundation degli Stati Uniti; dalla National Nuclear Security Administration degli Stati Uniti; e dal Consiglio di Ricerca in Scienze Naturali e Ingegneria del Canada.
L’isotopo o gli isotopi utilizzati in questa ricerca sono stati forniti dal Programma Isotopi del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, gestito dall’Ufficio di Ricerca, Sviluppo e Produzione di Isotopi.
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