Come vengono costruiti gli elementi chimici, gli elementi costitutivi del nostro universo? Questa domanda è stata al centro della fisica nucleare per la maggior parte del secolo scorso. All'inizio del 20° secolo, gli scienziati hanno scoperto che gli elementi hanno un nucleo e che tali nuclei sono costituiti da vari numeri di protoni e neutroni. Ora, gli scienziati della Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) della Michigan State University hanno costruito e testato un dispositivo che consentirà approfondimenti fondamentali su elementi pesanti o elementi con un numero molto elevato di protoni e neutroni.
"L'esplosione di stelle, la fusione di stelle giganti collassanti, ora stiamo imparando dettagli sulle reazioni nucleari al centro di questi eventi. Con SOLARIS, siamo in grado di ricreare quelle reazioni qui, sulla Terra, per vederle di persona.", ha spiegato Ben Kay, fisico presso il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti presso l'Argonne National Laboratory, alla guida dell'innovativo e ambizioso progetto.
Kay e il suo team hanno completato il loro primo esperimento utilizzando il dispositivo, chiamato SOLARIS, che sta per Solenoid Spectrometer Apparatus for Reaction Studies. Gli esperimenti pianificati riveleranno informazioni sulle reazioni nucleari che creano alcuni degli elementi più pesanti del nostro mondo, che vanno dal ferro all'uranio.
Sono previsti anche esperimenti con isotopi esotici. Gli isotopi sono elementi che condividono lo stesso numero di protoni ma hanno un numero diverso di neutroni. Gli scienziati si riferiscono a certi isotopi come esotici perché i loro rapporti tra protoni e neutroni differiscono da quelli di isotopi tipicamente stabili o longevi che si trovano naturalmente sulla Terra. Alcuni di questi isotopi instabili svolgono un ruolo essenziale negli eventi astronomici.
Il nuovo dispositivo segue le orme di HELIOS, lo spettrometro orbitale elicoidale, ad Argonne. Entrambi utilizzano magneti superconduttori organizzati in modo simile a quelli di una normale macchina per la risonanza magnetica come quelle che si trovano negli ospedali. In entrambi, un fascio di particelle viene sparato a un materiale bersaglio all'interno di una camera a vuoto. Quando le particelle si scontrano con il bersaglio, si verificano reazioni di trasferimento. In tali reazioni, neutroni o protoni vengono rimossi o aggiunti dai nuclei, a seconda delle particelle e delle loro energie, utilizzate nella collisione.
"Registrando l'energia e l'angolo delle varie particelle che vengono rilasciate o deviate dalle collisioni, siamo in grado di raccogliere informazioni sulla struttura dei nuclei in questi isotopi", ha detto Kay. "L'innovativo design SOLARIS fornisce la risoluzione necessaria per migliorare la nostra comprensione di questi nuclei esotici".
Ciò che rende SOLARIS davvero unico è che può funzionare come spettrometro a doppia modalità, il che significa che può effettuare misurazioni con fasci ad alta o bassissima intensità. La doppia funzionalità di SOLARIS consentirà una gamma ancora più ampia di esperimenti di reazione nucleare rispetto a prima e fornirà agli scienziati nuove intuizioni su alcuni dei più grandi misteri del cosmo.