L'universo atomico nasconde ancora segreti che sfidano la nostra comprensione della materia, e uno di questi è appena stato svelato nei laboratori tedeschi del GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research. Un team di ricercatori guidato dall'Istituto di Fisica Moderna dell'Accademia Cinese delle Scienze ha scoperto l'alluminio-20, un isotopo mai osservato prima che presenta una caratteristica straordinaria: è il primo nucleo mai documentato capace di emettere tre protoni attraverso un meccanismo di decadimento a due stadi. Questa scoperta, pubblicata su Physical Review Letters, apre nuove prospettive sulla struttura degli atomi più instabili dell'universo.
La frontiera degli isotopi impossibili
Per comprendere l'importanza di questa scoperta, bisogna immaginare la mappa nucleare come una valle circondata da montagne: al centro si trovano gli isotopi stabili, mentre salendo verso le pendici più ripide si incontrano nuclei sempre più instabili. L'alluminio-20 si trova ben oltre quella che i fisici chiamano "linea di gocciolamento protonico", una regione dove i nuclei sono talmente sbilanciati da perdere protoni spontaneamente.
"L'alluminio-20 è l'isotopo di alluminio più leggero mai scoperto finora, con ben sette neutroni in meno rispetto alla versione stabile di questo elemento", spiega il professor associato Xiaodong Xu dell'IMP, primo autore dello studio. Questa carenza estrema di neutroni rende il nucleo incredibilmente instabile e lo costringe a un destino inevitabile: il decadimento radioattivo.
Un decadimento in due atti
Quello che rende davvero eccezionale l'alluminio-20 è il modo peculiare con cui si disintegra. Invece di emettere i tre protoni simultaneamente, questo isotopo segue una strategia più articolata: prima espelle un singolo protone trasformandosi in magnesio-19, poi questo prodotto intermedio si libera dei restanti due protoni in un colpo solo.
I ricercatori sono riusciti a ricostruire questo processo studiando le correlazioni angolari dei prodotti di decadimento, una tecnica sofisticata che permette di capire come si muovono le particelle emesse e di dedurre i meccanismi che le hanno generate. La metodologia utilizzata, chiamata "tecnica di decadimento in volo", ha permesso di catturare questi eventi rarissimi presso il Separatore di Frammenti del centro tedesco.
Quando la simmetria si spezza
Oltre alla scoperta del meccanismo di decadimento, lo studio ha rivelato un fenomeno ancora più intrigante. L'energia di decadimento misurata per l'alluminio-20 è risultata significativamente diversa da quella prevista dalla simmetria isospin, un principio fondamentale della fisica nucleare che dovrebbe rendere identici nuclei con lo stesso numero di particelle ma ruoli invertiti di protoni e neutroni.
Il "gemello speculare" dell'alluminio-20 è il neon-20, un isotopo molto più comune e stabile. Tuttavia, i calcoli teorici più avanzati suggeriscono che questi due nuclei abbiano proprietà quantistiche fondamentali diverse, violando quello che ci si aspetterebbe dalla simmetria isospin. Questa rottura di simmetria potrebbe aprire nuove prospettive sulla comprensione delle forze nucleari estreme.
L'evoluzione della radioattività esotica
La scoperta dell'alluminio-20 si inserisce in una progressione storica affascinante. Mentre i modi di decadimento comuni come il decadimento alfa e beta erano già noti alla metà del XX secolo, l'emissione protonica è un fenomeno molto più recente. La radioattività a singolo protone fu scoperta negli anni '70, quella a due protoni solo dopo il 2000, e negli ultimi anni sono stati osservati casi ancora più estremi di emissione multipla di protoni.
Fino ad oggi sono stati scoperti oltre 3.300 nuclidi diversi, ma meno di 300 di questi sono stabili e esistono naturalmente. Il resto costituisce un universo di isotopi instabili che decadono attraverso processi sempre più esotici man mano che ci si allontana dalla valle di stabilità.
Implicazioni scientifiche e future ricerche
Questo studio rappresenta molto più di una semplice aggiunta al catalogo degli isotopi conosciuti. Come sottolinea Xu, "questa ricerca fa progredire la nostra comprensione dei fenomeni di emissione protonica e fornisce intuizioni sulla struttura e il decadimento dei nuclei oltre la linea di gocciolamento protonico".
Il progetto ha coinvolto una collaborazione internazionale che include, oltre all'IMP e al GSI, anche l'Università Fudan e più di una dozzina di altre istituzioni. Il lavoro è stato sostenuto dal Programma Nazionale Cinese di Ricerca e Sviluppo Chiave, dall'Iniziativa di Fellowship Internazionale del Presidente CAS e dalla Fondazione Nazionale Cinese per le Scienze Naturali. Questi risultati promettono di aprire nuove strade nella comprensione della materia nucleare estrema e potrebbero avere implicazioni per la nostra conoscenza dei processi che avvengono nelle stelle più massicce dell'universo.
