La creazione di elementi preziosi come l'oro e il platino nell'universo è un processo che affascina da sempre la comunità scientifica. Ora, grazie a una ricerca dell'Università del Tennessee pubblicata su Physical Review Letters, si aprono scenari completamente nuovi nella comprensione di come questi metalli nascano nelle fucine cosmiche. Lo studio ha portato alla luce tre scoperte fondamentali che potrebbero rivoluzionare i modelli teorici utilizzati per descrivere la formazione degli elementi pesanti durante eventi stellari estremi.
Il cuore della ricerca riguarda l'indio-134, un nucleo altamente instabile e difficilissimo da produrre in laboratorio. Gli scienziati guidati dal professor Robert Grzywacz hanno lavorato presso l'ISOLDE Decay Station del CERN, l'unico impianto in grado di sintetizzare quantità sufficienti di questo elemento esotico con la purezza necessaria. La tecnologia di separazione laser sviluppata in Svizzera ha permesso di ottenere campioni privi di contaminazioni, prerequisito essenziale per osservazioni così delicate.
Durante il collasso, l'esplosione o la collisione di stelle si verificano condizioni estreme che innescano il cosiddetto processo r, abbreviazione di "rapid neutron-capture process". In questa fase un nucleo cattura una raffica di neutroni in rapida successione finché non diventa talmente pesante da decadere in nuclei più leggeri e stabili. Il percorso seguito da questo processo attraversa regioni della carta dei nuclidi dove il principale meccanismo di decadimento è quello beta del nucleo genitore, seguito dall'emissione di due neutroni.
La scoperta più significativa riguarda proprio questa emissione beta ritardata di due neutroni. Per la prima volta gli scienziati sono riusciti a misurare le energie dei neutroni in questo particolare tipo di decadimento. "I neutroni tendono a rimbalzare ovunque, ed è difficile distinguere se si tratta di uno o due", ha spiegato Grzywacz. Nei tentativi precedenti nessuno era riuscito a misurare le energie, mentre questo approccio "apre un campo completamente nuovo" per la ricerca. Si tratta del primo studio che descrive nel dettaglio l'emissione di due neutroni per un nucleo che segue il percorso del processo r, aprendo la strada a modelli più chiari sulla formazione di elementi come l'oro nelle stelle.
La seconda rivelazione riguarda l'osservazione di uno stato neutronico a particella singola nello stagno-133, cercato invano dalla comunità scientifica per oltre vent'anni. Quando l'indio-134 decade, lo stagno risultante si trova in uno stato eccitato che deve raffreddarsi espellendo neutroni. La visione tradizionale descriveva questo processo come un "bollore" che trasforma il nucleo in una sorta di amnesiaco, senza alcuna traccia del decadimento beta originario. "Noi diciamo che lo stagno non dimentica", ha dichiarato Grzywacz. Questa "ombra" dell'indio non scompare completamente e la memoria non viene cancellata.
I rivelatori di neutroni all'avanguardia costruiti presso l'Università del Tennessee hanno identificato questo stato sfuggente, che rappresenta un passaggio intermedio nel processo di emissione dei due neutroni. Si tratta anche dell'ultima eccitazione elementare nel nucleo di stagno-133, un tassello che completa il quadro teorico e rende i calcoli più precisi. La scoperta suggerisce che i quadri teorici esistenti necessitano di una revisione sostanziale per spiegare perché a volte viene emesso un solo neutrone e altre volte due.
La terza scoperta riguarda l'osservazione della popolazione non statistica di questo stato appena identificato. Secondo Grzywacz, il processo di decadimento è relativamente pulito, con tutto separato e senza stati vicini interferenti. Eppure nella maggior parte dei casi si comporta come se fosse caotico, seguendo meccanismi statistici. "Perché è statistico, anche se non dovrebbe esserlo, e perché nel nostro caso non lo è?", si chiede il ricercatore. I risultati indicano che allontanandosi dalla stabilità e addentrandosi nel territorio dei nuclei esotici come il tennessio, i vecchi modelli perdono validità e occorrono nuove formulazioni teoriche.
Il giovane dottorando Peter Dyszel, primo autore dell'articolo, ha avuto un ruolo cruciale nell'esperimento. Entrato nel gruppo di Grzywacz nel 2022, ha costruito le strutture per i rivelatori di neutroni, assemblato l'apparato sperimentale, configurato l'elettronica necessaria e fabbricato i rivelatori beta. Si è occupato delle misurazioni di prova, ha contribuito allo sviluppo del software per l'acquisizione dati, ha effettuato le correzioni per ottimizzare la risoluzione temporale e infine ha analizzato i dati sperimentali. Nonostante il carico di lavoro, Dyszel ha sottolineato come il successo sia frutto di uno sforzo collettivo: "Il successo di questo lavoro si deve in parte ai miei colleghi e collaboratori, la cui guida e i cui contributi costruttivi sono stati cruciali".
I nuclei coinvolti nel processo r sono estremamente difficili, se non impossibili, da studiare sperimentalmente in molti casi. Per questo i calcoli che li descrivono si basano pesantemente su modelli che devono essere validati in laboratorio. L'emissione beta ritardata di due neutroni si verifica solo in nuclei esotici, quelli a vita breve e instabili, dove l'energia di separazione dei due neutroni è piccolissima ma sufficiente per essere misurata con le tecnologie attuali. Questa ricerca rappresenta quindi non solo un traguardo tecnico, ma anche un'opportunità straordinaria per ripensare la fisica nucleare nelle regioni più remote della stabilità atomica.
