Quanti neutroni può riuscire a contenere un nucleo ?

Il Riken

Quanti neutroni riesci a stipare in un atomo? Più di quanto pensassero i fisici.

Un ciclotrone superconduttore genera fasci di nuclei esotici presso il Radioactive Isotope Beam Facility di RIKEN a Wako, in Giappone, ed ha permesso di individuare i nuovi nuclei di calcio.
I fisici in Giappone hanno fatto esplodere i nuclei di calcio più pesanti mai visti, ciascuno contenente i 20 protoni necessari per creare l'elemento, ma con un numero enorme anche sino a 40 neutroni. È il doppio dei neutroni rispetto alla forma più comune di calcio e un paio in più rispetto al precedente. La scoperta suggerisce che potrebbe essere possibile stipare ancora più neutroni in nuclei di quanto si pensasse in precedenza, e potrebbe avere implicazioni per la teoria delle stelle di neutroni.

"E’ davvero un risultato importante e interessante, - afferma Daniel Phillips, fisico teorico nucleare all’Ohio University-Atene- poiché i modelli fisici della struttura nucleare sono sintonizzati su nuclei più comuni con un numero approssimativamente uguale di protoni e neutroni. Abbiamo bisogno di sapere quanto queste teorie errano, estrapolandole ai nuclei con rapporti più sbilanciati di protoni e neutroni”.

Il nucleo atomico è costituito da protoni e neutroni tenuti insieme dalla forza nucleare forte. Il numero di protoni determina l'identità di un atomo come elemento chimico; il numero di neutroni determina l'isotopo di quell'elemento. Spesso è raffigurato un nucleo con tanti protoni e neutroni attaccati insieme come gumdrops, ma i nuclei reali sono molto più complicati. Sebbene sia costituito da particelle discrete, il nucleo medio agisce più come una gocciolina di fluido con una tensione superficiale. Allo stesso tempo, tuttavia, i nuclei hanno gusci di energia quantica astratti e possono essere più strettamente legati quando hanno un numero magico di protoni o neutroni che riempiono quei gusci - proprio come, su una scala più grande, gli atomi sono più inerti quando hanno riempito i gusci di elettroni. Inoltre, i teorici usano modelli diversi per spiegare questi comportamenti in competizione. Per nuclei relativamente leggeri, i modelli ab initio affrontano le interazioni di singoli protoni e neutroni. Tali modelli s’impantanano per nuclei più pesanti, quindi i teorici impiegano modelli più approssimati basati su "funzionali di densità" che trattano la distribuzione di protoni e neutroni come variabili continue. Le dozzine di tali modelli possono non essere d'accordo su cose semplici, come quanti neutroni si attaccheranno a un nucleo, un limite che i fisici spesso visualizzano su un grafico a griglia. Sul grafico, che mostra il numero di protoni sull'asse verticale e il numero di neutroni sull'asse orizzontale

, i nuclei conosciuti e previsti formano un'andana a forma di sottaceto il cui limite inferiore segna la "linea di gocciolamento neutronico": il numero massimo di neutroni che un nucleo può contenere.

Il team di 30 membri del laboratorio giapponese RIKEN di Wako e della Michigan State University (MSU) di East Lansing ha prodotto una serie di nuovi nuclei ricchi di neutroni che suggeriscono che la linea di gocciolamento, più lontana di quanto previsto da molte teorie. Il team ha “cacciato” nelle vicinanze di calcio, - dice Alexandra Gade, esperta di MSU- perché il suo numero magico di protoni già lo infonde con un legame più forte.
Usando la radioattività isotopica di RIKEN, hanno strappato i nuclei di zinco pesante sparando un raggio attraverso un bersaglio di berillio. Hanno quindi utilizzato un separatore magnetico molto preciso per selezionare la vasta gamma di nuclei presenti nel relitto. Il team ha prodotto otto nuovi nuclei ricchi di neutroni, tra cui, rispettivamente calcio-59 e calcio-60, con 39 e 40 neutroni. Per produrre due nuclei di calcio-60, i ricercatori hanno dovuto sparare 200 quadrilioni di nuclei di zinco nel bersaglio.

I nuovi risultati sembrano triplicare i modelli, ab initio, che generalmente predicono che il calcio-60 non dovrebbe esistere. In effetti, i dati suggeriscono, - dice Gade- che potrebbe essere possibile creare nuclei di calcio con ancora più neutroni. Dei 35 modelli confrontati dai ricercatori, i due che meglio si adattano a tutti i nuovi dati, predicono che l'isotopo di calcio esiste fino al calcio-70, che avrebbe un numero enorme di neutroni.
Gade mette in guardia contro qualsiasi generale generalizzazione sulla linea di gocciolamento. Tuttavia, - dice Phillips -, si spera che i risultati vincolino meglio la linea di gocciolamento in modo che gli sperimentatori non debbano semplicemente sentirlo. "Certamente spero, dice inoltre, che non si tratti di andare avanti per elemento". Oltre alla sua fondamentale importanza, la posizione della linea di gocciolamento potrebbe avere implicazioni per l'astrofisica delle stelle di neutroni. Per esempio, si pensa che i processi nelle croste di questi resti stellari producano nuclei ricchi di neutroni direttamente nella linea di gocciolamento, dice Gade, quindi le proprietà precise e la struttura delle stelle incredibilmente dense, potrebbero dipendere dai dettagli della linea di gocciolamento.

Gli sperimentatori sperano di trovare anche isotopi più pesanti di calcio e di fare in modo che anche i nuclei studino le proprietà. Tali studi potrebbero diventare più facili nel 2022 quando MSU completerà il suo nuovo acceleratore da 730 milioni di dollari, l'impianto per i raggi isotopici rari (FRIB), che sarà ancora più potente della macchina di RIKEN. "Abbiamo esaminato i calcoli e [la FRIB], - dice Gade-, dovremmo essere in grado di vedere calcio-68 e calcio-70, se esistono".