Una delle grandi sfide della fisica nucleare moderna consiste nel comprendere come la natura produca gli elementi più pesanti dell’universo, come il piombo o l’oro. Si ritiene che molti di questi elementi abbiano origine nel processo detto ‘di cattura rapida dei neutroni’, che si verifica durante eventi astrofisici estremi, come le fusioni di stelle di neutroni e le esplosioni di supernovae. Riprodurre in laboratorio i nuclei esotici coinvolti in questi processi diventa quindi fondamentale per studiare la struttura nucleare e l’origine cosmica della materia. Per farlo si utilizzano complessi di acceleratori e rivelatori, grazie ai quali fasci di ioni vengono accelerati e fatti interagire così da riprodurre e osservare in dettaglio i processi e i loro prodotti.
Ai Laboratori Nazionali di Legnaro dell’INFN, per la prima volta, un fascio di ioni di uranio-238, l’isotopo dell’uranio più comune in natura, è stato accelerato fino a un’energia di 6,2 MeV per nucleone utilizzando il complesso di acceleratori superconduttori PIAVE-ALPI. Questo risultato rappresenta un importante traguardo tecnologico per lo studio dei nuclei esotici, il secondo ottenuto ai Laboratori di Legnaro dopo la produzione del primo fascio di ioni esotici del progetto SPES. Per realizzarlo, è stata utilizzata un’intensità di fascio molto bassa, pari a circa un nanoampere di particelle, tipica degli esperimenti di fisica nucleare a bassa energia. Nell’arco di un intero mese di attività sperimentale sono stati accelerati soltanto pochi microgrammi di uranio, in esperimenti nei quali gli ioni del fascio interagivano uno alla volta con i nuclei di un bersaglio metallico estremamente sottile. La campagna è frutto dell’uso sinergico di diversi strumenti, i rivelatori di raggi gamma AGATA, lo spettrometro magnetico PRISMA e un sistema di rivelazione dedicato, in una configurazione sperimentale di eccezionale potenza.
“Grazie al complesso di acceleratori e rivelatori dei Laboratori di Legnaro, è stato possibile identificare e studiare in dettaglio, dal punto di vista spettroscopico, sia i frammenti ricchi di neutroni prodotti dalla scissione dei nuclei di uranio in seguito alla collisione con il bersaglio, sia gli ioni pesanti prodotti attraverso reazioni di trasferimento di più nucleoni”, spiega Andrea Gottardo, coordinatore scientifico degli acceleratori PIAVE-ALPI.
Alla campagna hanno partecipato ricercatori e ricercatrici di diverse istituzioni europee, che hanno affrontato questioni fondamentali che spaziano dalla struttura dei nuclei ricchi di neutroni coinvolti nel processo di cattura rapida dei neutroni, fino alla formazione e alla sopravvivenza dei prodotti di reazione più pesanti generati nelle collisioni tra ioni.
“Oltre al suo immediato impatto scientifico, – sottolinea Enrico Fagotti, responsabile della divisione acceleratori – la realizzazione del primo fascio di ioni di uranio accelerato rappresenta un importante risultato strategico per i Laboratori di Legnaro, perché dimostra la loro capacità di operare con fasci complessi di ioni pesanti, sfruttando pienamente un’infrastruttura sperimentale di livello mondiale”.
Questo risultato crea un collegamento diretto con il prossimo capitolo della ricerca dei Laboratori di Legnaro: molti dei nuclei ricchi di neutroni studiati attraverso le reazioni indotte dall’uranio si trovano nelle stesse regioni della carta dei nuclidi che saranno presto accessibili grazie ai fasci di ioni esotici prodotti nell’ambito del progetto SPES. Le competenze acquisite nel funzionamento degli acceleratori, nella gestione e nell’erogazione dei fasci e nella spettroscopia avanzata, insieme al successo della messa in servizio di questi primi esperimenti con fasci di ioni di uranio, pongono, così, le basi scientifiche e tecnologiche per il programma sperimentale di SPES. I risultati ottenuti con fasci di ioni stabili stanno dunque portando verso il pieno sfruttamento delle opportunità scientifiche offerte dal progetto SPES e verso nuove prospettive di studio dei nuclei atomici più esotici.
