Come abbia avuto origine nel nostro universo la vita, con tutta la sua complessità, a partire da un elemento chimico relativamente semplice come il carbonio è sicuramente una delle domande più affascinanti cui la scienza cerca una risposta. Un contributo importante alla soluzione di questo enigma può essere fornito dalla maggiore comprensione di come il carbonio si formi dentro le stelle.
Ora, una nuova misura di altissima precisione, realizzata ai Laboratori Nazionali del Sud dell’INFN con l’acceleratore Tandem van de Graaf, ha permesso di fare luce sulla formazione e sulle proprietà della base fondamentale della vita, il nucleo di carbonio-12 (12C). Il lavoro, frutto della collaborazione delle Sezioni INFN di Napoli e Catania, dei Laboratori Nazionali del Sud dell’INFN, delle Università di Napoli Federico II, Paris-Saclay, Catania, Enna e UNAM, è stato pubblicato su Physical Review Letters come Editors’ Suggestion ed è accompagnato da un articolo di viewpoint sulla rivista Physics della American Physical Society.
Il carbonio-12 viene sintetizzato nelle stelle mediante la fusione di tre nuclei di elio-4 (particelle alfa). Questo processo è reso possibile da un particolare stato eccitato del carbonio-12 detto “stato di Hoyle”, in onore dell’illustre fisico Fred Hoyle che nel 1953 per primo ne teorizzò l’esistenza. Per svelare i segreti di questo stato, anziché cercare di ricostruirne il processo di formazione, si può percorrere la strada inversa: studiare come il nucleo di carbonio-12 nello stato di Hoyle decade in tre particelle alfa. Tale processo di decadimento può avvenire in due passaggi (sequenziale) o in un singolo passaggio (diretto). Lo studio della competizione tra questi due processi permette di far luce sulla struttura del carbonio-12, profondamente diversa rispetto agli altri nuclei. Nel nuovo esperimento i ricercatori hanno investigato con una precisione mai raggiunta fino ad oggi la possibile esistenza del più raro dei due modi di decadimento: il decadimento diretto dello stato di Hoyle. Il limite superiore del rapporto tra la probabilità di osservare un decadimento diretto rispetto a un decadimento sequenziale è stato abbassato di circa un fattore cinque rispetto alla letteratura corrente.
La competizione tra processi diretti e sequenziali nella formazione del carbonio ha anche un pesante risvolto in astrofisica. Mentre nelle giganti rosse il processo sequenziale descrive benissimo la nucleosintesi del carbonio, negli scenari astrofisici a più bassa temperatura questa ipotesi cessa di essere valida, e la presenza di processi diretti può aumentare enormemente la probabilità di formazione del carbonio rispetto a un processo puramente sequenziale. Alcuni esempi sono rappresentati dai sistemi binari di stelle contenenti una nana bianca o una stella di neutroni in accrescimento.
“Questa misura, particolarmente complessa per la rarità del processo di emissione diretta, - spiega Ivano Lombardo, ricercatore INFN della Sezione di Catania - è stata realizzata grazie a una raffinata tecnica sperimentale, che ha raggiunto i limiti della spettroscopia tradizionale con particelle cariche, e che ha sfruttato l’elevatissima qualità dei fasci di particelle prodotti con l’acceleratore Tandem dei Laboratori Nazionali del Sud”. “Raggiungere questo livello di precisione permette di fornire ai fisici teorici informazioni cruciali per comprendere in pieno la complessità e le simmetrie che governano la struttura dei nuclei leggeri”, conclude Lombardo.
“Il risultato – sottolinea Daniele Dell’Aquila delle Università di Napoli Federico II e di Paris-Saclay, “è in eccellente accordo con quanto ottenuto da una misura parallela realizzata all’Università di Birmingham, e costituisce un importante fondamento sperimentale per stimare gli effetti del processo di produzione del carbonio-12 tramite la fusione di tre particelle alfa in ambienti stellari a bassa temperatura, dove i processi diretti possono giocare un ruolo determinante nello scatenare fenomeni esplosivi”, conclude Dell’Aquila.
In foto l'acceleratore Tandem van de Graaf dei Laboratori INFN del Sud
