Comprendere i processi che portano alla formazione dei nuclei pesanti all’interno delle fucine stellari: è questo uno degli affascinati temi cui stanno lavorando i ricercatori dell’INFN ai Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL). Grazie al complesso di acceleratori PIAVE (Positive Ion Accelerator for low VElocity ions) e ALPI (Acceleratore Lineare Per Ioni), due acceleratori lineari messi in sequenza, progettati e realizzati ai LNL sono, infatti, riusciti a produrre e accelerare per la prima volta un fascio di piombo 206 (206Pb) all’energia di 1,2 GeV (Gigaelettronvolt), facendolo poi interagire con un bersaglio di stagno 118 (118Sn), così da poter studiare in laboratorio i processi astrofisici che avvengono nel cosmo.
“Oltre all’importanza scientifica dell’esperimento, – sottolinea Diego Bettoni, direttore dei Laboratori di Legnaro – questo risultato corona uno sforzo importante sostenuto in questi anni dalla divisione acceleratori dei Laboratori INFN di Legnaro, che ha portato a buon fine un importante upgrade del complesso dei nostri acceleratori”.
I nuclei prodotti nella reazione piombo-stagno sono stati poi identificati grazie a PRISMA, uno speciale rivelatore appositamente progettato e costruito ai LNL per misurare con grande dettaglio alcune caratteristiche del processo di produzione di nuclei pesanti, come la distribuzione delle loro masse, la loro carica nucleare e l’energia di eccitazione.
“Nella reazione piombo-stagno – spiega Lorenzo Corradi, responsabile dell'esperimento PRISMA – abbiamo voluto studiare il processo di trasferimento di coppie di neutroni, ossia quel tipo di reazioni in cui multipli pari di neutroni vengono trasferiti da un partner all'altro, modificando in modo peculiare la composizione isotopica sia del proiettile, sia del bersaglio”. “L'importanza dell’esperimento sta nel fatto che questi processi, coinvolgendo appunto coppie di nucleoni, forniscono informazioni sulle correlazioni nucleone-nucleone, essenziali per comprendere le proprietà strutturali dei nuclei”, conclude Lorenzo Corradi.
Più in generale, l’utilizzo dei fasci di piombo e di ioni molto pesanti è importante per lo studio della popolazione di nuclei ricchi di neutroni. Lo studio dettagliato dei meccanismi di produzione di questi nuclei e delle loro proprietà è di grande rilievo per l'astrofisica e per i modelli di evoluzione delle stelle. In certe regioni della carta dei nuclidi è, infatti, molto forte la competizione fra il processo di decadimento beta, che genera nuclei verso la cosiddetta valle della stabilità (dove si collocano i nuclei più stabili, appunto), e il processo chiamato di “cattura rapida neutronica”, che porta alla formazione nelle strutture stellari, come per esempio nelle supernovae, di nuclei via via più ricchi di neutroni.
“Si tratta di un risultato importante – spiega Giovanni Bisoffi, responsabile della divisione acceleratori dei LNL – non solo dal punto di vista scientifico ma anche tecnologico: il fascio utilizzato per l’esperimento è stato generato in modo stabile da una sorgente a risonanza di ciclotrone (ECR) a 14.4 GHz, ed è stato poi accelerato grazie alle componenti superconduttive, che operano a -269 °C, di PIAVE e ALPI”. “L’utilizzo combinato dei due acceleratori ci ha consentito di raggiungere l’energia richiesta di 1,2 GeV (Giga elettronvolt, cioè miliardi di elettronvolt) con una elevata corrente di fascio (oltre i 90 nA, nano Ampere) per gran parte della misura, che è durata 10 giorni: le misure di fisica nucleare realizzate grazie a questi fasci di ioni piombo coronano uno sforzo importante sostenuto in questi anni dai tecnologi e dai tecnici della divisione acceleratori, che hanno migliorato sia le prestazioni sia il grado di affidabilità degli acceleratori superconduttivi”, conclude Bisoffi.
Molte delle innovazioni e dei potenziamenti che sono stati realizzati agli acceleratori sono funzionali anche all’impiego di ALPI per i fasci di particelle esotici di SPES (Selective Production of Exotic Species), il futuro progetto multidisciplinare in costruzione ai Laboratori di Legnaro: si tratta di un apparato altamente innovativo che riuscirà a generare e ad accelerare nuclei non stabili su bersagli fissi. SPES aprirà la strada a importanti ricerche di fisica di base, come lo studio di reazioni nucleari e di isotopi nucleari ancora poco conosciuti, e al contempo consentirà l’impiego in altri settori, come la produzione di radiofarmaci, utili per curare alcune forme tumorali per le quali altri trattamenti sono meno efficaci.