Spazio e Scienze

Quark explosion, fusione potente che non possiamo sfruttare

universita insubriaQualche giorno fa è circolata la notizia di una forma di fusione subatomica tra quark, che può liberare più energia della fusione nucleare. Una scoperta con il potenziale di grande rilevanza, che tuttavia non è sfruttabile. Per capire nel dettaglio di che cosa si tratta, di come i ricercatori siano arrivati a questa scoperta e del perché non sia sfruttabile abbiamo chiesto aiuto a Philip G. Ratcliffe, Professore di Fisica Nucleare e Subnucleare presso il Dipartimento di Scienza e Alta Tecnologia dell'Università degli Studi dell'Insubria, sede di Como. Dopo avere studiato il lavoro originale pubblicato su ArXiv ecco che cosa ci ha spiegato.

Le premesse

Da circa 50 anni sappiamo che i protoni e i neutroni che costituiscono i nuclei degli atomi (di cui tutti noi siamo fatti) sono, a loro volta, oggetti compositi. Sono uno stato legato di tre quark (parola che fa rima con "pork" e non "park"). Nel caso della materia normale ne bastano due tipi di questi mattoni: il quark up (u) e il quark down (d); il protone è costituito dalla combinazione "uud" e il neutrone "ddu". Negli anni 60 Murray Gell-Mann, premio Nobel e inventore dei quark, nella sua teoria ne propose l'esistenza di un terzo, il quark strano (s), così nominato perché le particelle che lo contengono si comportavano in maniera diversa rispetto al protone e al neutrone. Nello zoo sempre più crescente di particelle nuove scoperte negli esperimenti di allora vi erano, ad esempio, (stato legato dei tre quark uds),  (uss) e   (dss). Queste particelle manifestavano comportamenti, appunto, strani e inspiegabili, se non ipotizzando la presenza del quark s.

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La tabella delle particelle elementari. In alto a sinistra vi sono i 6 quark, in basso i 6 leptoni e a destra le 4 particelle (o campi) che trasmettono le tre forze fondamentali della fisica delle particelle elementari (la gravità è esclusa qui).

Tra gli anni settanta e novanta del secolo scorso vennero alla luce altri tre quark: charm (c), bottom o beauty (b) e infine top (t), a volte detto anche truth. Questi nuovi quark sono via via più pesanti: la massa di un singolo quark c è circa 1,3 quella del protone, b 4,2 e t addirittura 171. Come ci insegna la famosa relazione di Einstein E = mc², per produrli nel laboratorio quindi ci vogliono energie molto elevate. Duranti gli anni sono stati costruiti pertanto vari acceleratori ad anello, sempre più grandi. Il più grande e più potente in assoluto è il Large Hadron Collider (LHC) attualmente in funzione al CERN (Ginevra), che porta protoni fino a energie equivalenti di 6-7 mila volte la loro energia di massa a riposo.

LHC è stato ideato e costruito con lo scopo principale di cercare e di studiare il cosiddetto bosone di Higgs, che è stato poi trovato puntualmente nel 2012. Come in tutti questi tipi di esperimenti però, i dati raccolti forniscono tante altre informazioni utili per investigare le interazioni delle particelle elementari. In particolare, le grandi energie disponibili nelle collisioni provocate comportano la produzione copiosa dei quark più pesanti e conseguentemente di tante nuove particelle da loro composte. Lo studio di questi oggetti e delle loro interazioni porterà a una migliore comprensione delle forze che legano insieme i quark al loro interno.

Ci sono quattro forze fondamentali note: la gravità, l'elettromagnetismo, la forza nucleare debole e quella forte. La prima entra in gioco solo in presenza di masse enormi come quelle di pianeti o di stelle, la seconda tiene gli elettroni in orbita all'interno degli atomi, la terza è responsabile di certi decadimenti nucleari, come quello del neutrone (il decadimento beta), quando si scinde in un protone, un elettrone e un antineutrino. La quarta, che oggi chiamiamo la cromodinamica quantistica (QCD) e che è la più forte di tutte, fornisce la colla che lega i quark insieme dentro i protoni e neutroni e anche i protoni e neutroni all'interno dei nuclei.

 

Solar sys
I pianeti del sistema solare orbitano intorno al Sole mediante la forza di gravità.

È proprio in virtù delle forze enormi in gioco nella QCD che è possibile, ad esempio, la generazione di grandi quantità di energia nelle interazioni che avvengono all'interno delle centrali nucleari o del Sole. Cercheremo ora di spiegare queste interazioni e, in particolare, come possono generare energia.

La produzione convenzionale di energia

Consideriamo un elettrone e un protone separati nello spazio. La forza elettromagnetica attrattiva provoca un'accelerazione dell'uno verso l'altro; il lavoro fatto dalla forza si converte in energia cinetica. Quando la separazione si riduce a circa un Ångström (10-8 cm), si forma l'atomo d'idrogeno e l'energia cinetica sviluppata viene irraggiata sotto forma di onde elettromagnetiche (luce). Perché a quella distanza e come viene emessa la luce sono affari piuttosto complessi che riguardano la meccanica quantistica, ma che non sono centrali al nostro discorso. Tale processo si dice esotermico, ovvero provoca l'emissione di calore.

energia legame idrogeno
L'energia potenziale tra due atomi d'idrogeno in funzione della distanza di separazione. A distanze maggiori della lunghezza di legame, la forza tra i due atomi è attrattiva, mentre per distanze minori diventa ripulsiva. Si forma quindi una molecola H2, con un diametro uguale alla lunghezza di legame. L'energia di legame è la differenza di potenziale tra la situazione a separazioni molto grandi e il punto dove la forza cambia da attrattiva a ripulsiva (il punto più in basso della curva sopra).

Viceversa, come quando si solleva un peso da terra, se vogliamo separare l'elettrone e il protone di un atomo d'idrogeno, dobbiamo immettere quella stessa quantità di energia, detta energia di legame. Normalmente quindi, restano legati insieme; ovvero non si possono scindere spontaneamente, e diciamo che l'atomo è stabile. Lo stesso vale per ogni tipo di atomo e di molecola, ma i valori precisi delle energie di legame sono dettati dalle strutture atomiche o molecolari individuali e sono diversi atomo per atomo e molecola per molecola.

In natura quindi l'idrogeno e l'ossigeno liberi preferiscono formare molecole (H2 e O2). Se però confrontiamo la somma delle energie di legame di due molecole d'idrogeno e una di ossigeno con la somma delle energie di legame di due molecole d'acqua (H20), troviamo che quest'ultima è maggiore. In altre parole, se prendiamo due molecole d'idrogeno e una di ossigeno e riusciamo a convincerle a riarrangiarsi in due molecole d'acqua, otterremo un rilascio energetico pari alla differenza tra le due energie di legame. Per convincerle a fare ciò, è sufficiente scaldarle insieme e così abbiamo il fuoco, il metodo primordiale di produzione artificiale di calore. Il principio della combustione di qualsiasi altro materiale è identico.

La produzione di energia tramite fissione e fusione nucleare

 

Fissione
Il processo di fissione indotta di 235U per assorbimento di un neutrone. Avviene a più stadi: prima un neutrone viene assorbito dal nucleo di 235U, che diventa quindi 236U. Quest'ultimo è instabile e si scinde subito in due pezzi (qui 93Kr e 143Ba), che preferiscono emettere ognuno un neutrone, trasformandosi così nei più stabili 92Kr e 142Ba.



Non ci vuole un grande volo di fantasia per arrivare all'ipotesi che, con le stesse considerazioni applicate invece a protoni e neutroni, sfruttando quindi l'interazione nucleare forte, si potranno sprigionare quantità di energia di tutt'altra scala. Infatti, un nucleo molto pesante, ad esempio uno degli isotopi di uranio 235U, ha un'energia di legame minore di quelle sommate di due pezzi equivalenti (ad esempio 92Kr e 143Ba). Se si riuscisse a convincere i protoni e i neutroni dell'uranio a riarrangiarsi in due nuclei più piccoli separati, si otterrebbe quindi un rilascio energetico notevole. Date le forze in gioco però, ci si aspetta qualcosa come mille o dieci mila volte l'energia prodotta quando si brucia l'idrogeno per formare una molecola d'acqua. In pratica, il modo migliore di sollecitare tale processo è aggiungere un singolo neutrone al nucleo iniziale.

Si scopre inoltre che, per diventare più stabili[1], i due nuclei così prodotti preferiscono liberarsi di uno o più neutroni, che possono poi provocare ulteriori processi di fissione (indotta). In questo modo si arriva alla classica reazione a catena, che sostiene le centrali nucleari. Viceversa, nel caso di nuclei molto piccoli è vero l'opposto. Ovvero, la fusione di due deutoni (nuclei formati da un protone e un neutrone) per formare un nucleo di elio (4He) produce le stesse enormi quantità di energia, senza tuttavia il problema dei prodotti radioattivi della fissione appena descritta.

Purtroppo, mentre la tecnologia della fissione per la produzione di energia su scala industriale è nota ormai da tempo, il caso della fusione e molto più complesso e nonostante gli sforzi enormi compiuti negli ultimi decenni, l'unica fonte continua di energia basata su tale processo continua a essere il Sole.

La scoperta annunciata dai ricercatori

Torniamo agli esperimenti condotti al CERN: recentemente due fisici teorici, Marek Karliner dell'Università di Tel Aviv e Jonathan Rosner dell'Università di Chicago, si sono accorti che esistono possibili processi analoghi tra particelle contenenti due dei quark più pesanti c e b (il quark t non viene considerato perché ha una vita media troppo breve per poter formare stati legati). Infatti, oggi all'acceleratore LHC si producono e si studiano tante nuove particelle che contengono appunto varie combinazioni dei quark c e b. Tra questi vi sono (l'insieme dei tre quark udc), (udb),  (ucc) e  (ubb).

Già qualche anno fa i due teorici avevano considerato l'esistenza di questi oggetti, calcolandone le masse e le energie di legame. Così qualche mese fa sono arrivati a ipotizzare la fusione esotermica tra due per formare e un neutrone.[2] Il rilascio energetico sarebbe paragonabile a quello della soprammenzionata fusione di deutoni e nel caso di due producendo l'energia emessa sarebbe addirittura dell'ordine di dieci volte maggiore.

 

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Il processo di fusione di due particelle Lambdac (che contiene i tre quark udc) e/o (udb) per formare Xicc(ucc), Xicb(ucb) o Xibb(ubb) e un neutrone.

Purtroppo però, niente euforia per la scoperta di un nuovo possibile metodo pulito per la produzione di energia. Vi è una differenza fondamentale tra tale tipo di processo e quelli che abbiamo descritto sopra: le materie prime (idrogeno, ossigeno, 235U e perfino deuterio) si trovano in natura, mentre e no. E formare o nel laboratorio richiede parecchia più energia di quanta si possa ricavare dalla loro fusione. Inoltre, queste particelle decadono troppo rapidamente per poter assemblare una centrale subnucleare e produrre energia sfruttabile né tantomeno si possa costruire un ordigno subnucleare. La scoperta resta quindi un (pur molto interessante) giocattolo per noi fisici, ma non potrà mai diventare fonte di energia su scala industriale né, fortunatamente, potrà fornire armi di distruzione di massa.

 


[1] Purtroppo però, i prodotti della fissione sono generalmente comunque instabili e a loro volta decadono, dando luogo a una cascata di decadimenti. Questo comporta il ben noto problema delle scorie radioattive.

[2] Marek Karliner & Jonathan L. Rosner, "Quark-level analogue of nuclear fusion with doubly heavy baryons", Nature 551, 89-91 (2 novembre 2017); doi: 10.1038/nature24289 (si può trovare una versione più tecnica e dettagliata in arXiv:1708.0254).


Tom's Consiglia

Le scoperte del CERN vi incuriosiscono ma non ne capite molto? Leggete il libro del fisico Dario Menasce Diavolo di una particella: Perchè il bosone di Higgs cambierà la nostra vita