Le interazioni nucleari sono alla base della stabilità dei nuclei atomici e svolgono un ruolo fondamentale anche nei processi che avvengono all’interno delle stelle. Comprenderle è quindi essenziale per descrivere il comportamento della materia a livello microscopico e per comprendere anche ciò che accade nell’universo. Un nuovo studio, pubblicato di recente sulla rivista Nature Communications, sulla struttura del nucleo dell’elio-4 (⁴He) – un isotopo dell’elio costituito da due protoni e due neutroni – offre un importante contributo alla comprensione delle interazioni nucleari. Il lavoro affronta alcune questioni ancora aperte nella descrizione di un particolare stato dell’elio-4 e fornisce nuovi dati con cui mettere alla prova e migliorare i modelli della fisica nucleare. La ricerca è frutto della collaborazione tra l’INFN, le Università di Catania, Trento, Mainz e San Paolo e diversi altri istituti italiani e stranieri.
Negli ultimi decenni sono stati sviluppati modelli sempre più accurati, capaci di riprodurre con grande successo le proprietà dei nuclei più semplici, composti da pochi protoni e neutroni, e le misure sperimentali. Nonostante questi progressi, alcuni risultati recenti hanno evidenziato caratteristiche inattese del primo stato eccitato dell’elio-4, una particolare configurazione in cui il nucleo si trova temporaneamente a un livello di energia più elevato rispetto al suo stato fondamentale. Queste osservazioni hanno sollevato interrogativi sulla capacità degli attuali modelli teorici di descrivere pienamente il comportamento di questo sistema.
Il nuovo studio affronta la questione attraverso misure di diffusione inelastica di particelle alfa, cioè nuclei di elio-4, su nuclei di elio-4. I dati sperimentali sono stati ottenuti ai Laboratori Nazionali del Sud dell’INFN utilizzando lo spettrometro magnetico MAGNEX e il rivelatore OSCAR, e si fondano su una sensibilità di misura senza precedenti e su analisi avanzate della forma della riga spettrale, che hanno consentito di caratterizzare con maggiore precisione lo stato eccitato.
I risultati sperimentali sono stati confrontati con le previsioni ottenute dalle più avanzate teorie ab initio della struttura dell’elio-4, che cercano di descrivere il nucleo partendo dalle interazioni fondamentali tra i suoi costituenti. Nel complesso, l’analisi dei dati mostra che le osservazioni possono essere descritte in modo coerente nell’ambito dell’attuale quadro teorico della fisica delle interazioni nucleari. Allo stesso tempo, lo studio evidenzia però la necessità di raffinare ulteriormente i modelli utilizzati per descrivere i sistemi quantistici aperti composti da pochi corpi, nei quali le particelle possono interagire e trasformarsi durante il processo osservato.
Oltre all’interessante contributo scientifico, lo studio rappresenta anche un importante risultato del lavoro sinergico tra diverse strutture dell’INFN in un ambito di collaborazione nazionale e internazionale, e confermano il ruolo dei Laboratori Nazionali del Sud e la rilevanza del loro ciclotrone superconduttore come infrastruttura di riferimento per la ricerca sperimentale nel campo della fisica nucleare.
