Un nuovo apparato presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha effettuato misurazioni estremamente precise di nuclei di rutenio instabili. Le misurazioni rappresentano una pietra miliare significativa nella fisica nucleare perché corrispondono strettamente alle previsioni fatte da sofisticati modelli nucleari.
"È molto difficile per i modelli teorici prevedere le proprietà di nuclei complessi e instabili", ha affermato Bernhard Maass, assistente fisico dell'Argonne e autore principale dello studio. "Abbiamo dimostrato che una classe di modelli avanzati può farlo in modo accurato. I nostri risultati aiutano a convalidare i modelli."
La convalida dei modelli può creare fiducia nelle loro previsioni sui processi astrofisici. Questi includono la formazione, l'evoluzione e le esplosioni delle stelle in cui vengono creati gli elementi.
Lo studio è stato pubblicato inLettere di revisione fisica.
La necessità di validare i modelli teorici
I fisici nucleari stanno sviluppando modelli teorici più avanzati per prevedere con precisione le proprietà dei nuclei atomici instabili con strutture, forme e forze complicate. Tali modelli hanno il potenziale per approfondire la nostra comprensione del funzionamento interno dei nuclei atomici.
Tuttavia, è essenziale dimostrare l’accuratezza di questi modelli prima che possano essere utilizzati per ampliare le frontiere della scienza. Ciò richiede il difficile compito di raccogliere misurazioni precise e reali-di nuclei complessi e di confrontare le misurazioni con le previsioni dei modelli.
Il rutenio è un elemento ideale per validare modelli teorici avanzati. Questo metallo raro ha isotopi-atomi dello stesso elemento con un diverso numero di neutroni e stabilità variabile-noti per avere nuclei con strutture e forme complesse. Esistono una serie di isotopi instabili e radioattivi del rutenio che si ritiene abbiano una forma triassiale, simile a una mandorla o a un chicco di caffè.
Misurazione delle proprietà del rutenio
Il gruppo di ricerca ha utilizzato l’apparato Argonne Tandem Hall Laser Beamline for Atom and Ion Spectroscopy (ATLANTIS) per misurare nove isotopi radioattivi di rutenio. Questo nuovo dispositivo è stato installato presso l'Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS).
ATLAS è una struttura utente DOE ad Argonne con un acceleratore lineare superconduttore progettato per studiare le proprietà dei nuclei.
I ricercatori hanno avuto accesso agli isotopi radioattivi del rutenio da un altro strumento ATLAS, il Californium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU). CARIBU può fornire rutenio radioattivo attraverso la fissione di una piccola quantità di californio-un elemento raro e altamente radioattivo.
"Gli isotopi del rutenio che abbiamo studiato durano solo un secondo prima di decadere in altri elementi", ha detto Maass. "ATLANTIS esegue una tecnica chiamata spettroscopia laser collineare. Ci consente di raccogliere misurazioni su quantità molto piccole di questi isotopi in meno di un secondo."
Utilizzando ATLANTIS, i ricercatori hanno diretto un raggio laser lungo lo stesso percorso di un fascio di atomi di rutenio. A determinate frequenze laser, gli atomi erano eccitati e cominciavano a emettere fluorescenza, indicando che venivano emessi fotoni luminosi. Il team ha identificato le frequenze laser alle quali le emissioni di fotoni raggiungono il picco. Questo processo è stato ripetuto per i nove isotopi di rutenio. Per ciascun isotopo, il picco di emissione si è spostato su una frequenza leggermente diversa.
"Possiamo utilizzare questo spostamento isotopico per ricavare le differenze nelle dimensioni nucleari degli isotopi", ha affermato Maass.
Il team ha confrontato questi cambiamenti di dimensione con le previsioni dei modelli Bruxelles-Skyrme-on-a-Grid (BSkG), che sono tra i più avanzati al mondo per la struttura nucleare. A differenza dei modelli nucleari tradizionali più vecchi, tengono conto delle forze e delle interazioni specifiche tra tutti i neutroni e i protoni in un nucleo.
I ricercatori hanno riscontrato un eccellente accordo tra i loro risultati e le previsioni dei modelli BSkG, sottolineando la robustezza dei modelli.
In particolare, nel tentativo di consentire misurazioni precise, il team ha anche avanzato la tecnologia della spettroscopia laser collineare. Nello specifico, hanno sviluppato e implementato nuove tecniche efficaci che neutralizzano il raggio atomico e lo "raggruppano" in impulsi.
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Implicazioni per l'astrofisica
Lo studio ha dimostrato che i modelli BSkG possono fare previsioni di nuclei triassiali instabili con notevole precisione. Modelli così potenti potrebbero aiutare gli astrofisici a far luce su come funziona l’universo.
"Gli astrofisici sanno che i nuclei instabili e radioattivi svolgono un ruolo importante nella formazione delle stelle e degli elementi nell'universo", ha affermato Maass.
"Per comprendere meglio il nostro universo, dobbiamo sapere come sono strutturati i nuclei e come interagiscono. Dobbiamo essere in grado di prevedere le proprietà dei nuclei esotici che non possono essere prodotti nei moderni acceleratori di particelle."
Tre degli autori dello studio hanno sviluppato i modelli BSkG: Wouter Ryssens e Guilherme Grams, entrambi dell'Université libre de Bruxelles in Belgio, e Michael Bender dell'Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon in Francia.
Oltre a Maass, Ryssens, Grams e Bender, gli esperimenti e la costruzione di ATLANTIS sono frutto della collaborazione tra ricercatori dell'Argonne (Daniel Burdette, Jason Clark, Peter Mueller, Daniel Santiago-Gonzalez, Guy Savard e Adrian Valverde), dell'Università Tecnica di Darmstadt in Germania e dell'Istituto per i fasci di isotopi rari della Michigan State University.
ATLANTIS è disponibile per gli istituti che collaborano per eseguire misurazioni di spettroscopia laser collineare per una varietà di esigenze di ricerca. Per esplorare opportunità di collaborazione, contattare Maass.
