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Poker di neutroni

news_poker_neutroniOsservate la vostra mano mentre respirate: di cosa sono fatte aria e mano? I nostri corpi, o la materia, più in generale, è fatta di atomi, composti a loro volta da piccoli nuclei molto densi attorno ai quali ruotano gli elettroni.

I nuclei atomici contengono protoni e neutroni, tenuti insieme da un’interazione (nucleare) forte. I vari tipi di atomi sono definiti in base al numero di protoni (ed elettroni) che contengono. Il Carbonio ha 6 protoni, mentre l’Uranio, per esempio, 92. Centodiciotto elementi sono oggi conosciuti, quattro dei quali, il 113, 115, 117 e 118, ossia nihonio, moscovio, tennessinio e oganessio, sono stati prodotti solo negli ultimi anni.

All’interno dei nuclei, le interazioni più forti avvengono tra protoni e neutroni. Un protone e un neutrone formano un sistema stabile, chiamato deuterone, legato da un’energia di 2.2 MeV (1 MeV corrisponde a circa 0.1% della massa del protone). Per oltre 50 anni la fisica si è chiesta se i neutroni potessero formare sistemi stabili: esistono sistemi stabili di di-neutroni o tri-neutroni? Possono quattro neutroni formare un sistema legato?

Sebbene la maggior pare dei fisici teorici avesse concluso che i neutroni non si legano a formare legami stabili, il risultato dell’esperimento condotto al laboratorio RIKEN in Giappone ha dimostrato, con grande sorpresa, la possibile esistenza di un “poker di neutroni”, una struttura tetraneutronica. L’esperimento, condotto da una collaborazione sotto la guida di Keiichi Kisamori e Susumu Shimoura del Center of Nuclear Study dell’University di Tokyo, ha utilizzato un fascio di nuclei radioattivi di elio ad alta energia, ossia 8He (questi nuclei contengono 6 neutroni e 2 protoni, rappresentando l’isotopo di elio più ricco di neutroni), indirizzato su un bersaglio liquido di elio comune (4He). A seguito di questa interazione, si osserva la produzione di un nucleo di 8Be e quattro neutroni, con il 8Be che, a sua volta, decade in due 4He (vedi la reazione in fig. 2). Conoscendo l’energia del fascio di 8He, e inferendo quella del 8Be dall’energia – misurata con lo spettrometro ad alta risoluzione SHARAQ – di ciascuno dei due 4He, con il metodo della “massa mancante” è stato possibile dedurre l’energia del sistema composto dai quattro neutroni rimanenti (non direttamente misurati). Gli scienziati giapponesi hanno trovato le prove dell’esistenza di un sistema a quattro neutroni: il tetraneutrone; si tratta di un sistema risonante, ossia uno stato libero che esiste abbastanza a lungo (un tempo dell’ordine di 10-21 secondi) da consentire potenzialmente la definizione di uno stato ben caratterizzato, in termini di spin, parità ed energia.

Ciò che il team giapponese ha trovato sono quattro eventi del tetraneutrone, non legati (ovvero con energia maggiore della somma delle masse dei quattro neutroni) di circa 1 MeV. Quattro eventi sono ovviamente molto pochi, dunque come si può essere sicuri che si tratti effettivamente di sistemi di tetraneutroni e non di una fluttuazione di qualche tipo? La collaborazione ha condotto sofisticate analisi, simili a quelle effettuate per la scoperta del bosone di Higgs, giungendo alla conclusione che la rilevanza statistica per i quattro eventi scoperti è di circa “5 sigma”che è in genere abbastanza per assicurare una scoperta. In questo caso, tuttavia, a causa di alcune supposizioni degli scienziati volte a tenere in considerazione il fondo (background), essi hanno classificato i quattro eventi come dei “candidati per uno stato risonante” (Phys. Rev. Lett. 116, 052501 (2016)).

Sebbene molti fisici nucleari rimangano ancora poco convinti della scoperta, il gruppo giapponese sta preparando un nuovo esperimento al RIBF in Giappone, dove, utilizzando tecniche diverse, potranno confermare (o confutare) la scoperta.

Nel frattempo, i fisici teorici James Vary, Andrei Shirokov e collaboratori hanno condotto sofisticate simulazioni al computer (Phys. Rev. Lett. 117, 182502 (2016)) che hanno confermato l’esistenza di uno stato tetraneutronico risonante con caratteristiche simili a quelle descritte dal gruppo sperimentale giapponese.

L’esistenza dei tetraneutroni è ancora in attesa di conferma. In caso positivo, ciò garantirebbe uno studio altamente accurato del modo in cui questo sistema si costituisca e delle interazione nucleari tra neutroni, un tema scottante della fisica moderna. Questo potrebbe anche permettere di compiere un passo avanti per ciò che riguarda la comprensione della struttura dei più grandi sistemi di neutroni attualmente conosciuti: le stelle di neutroni. Si ritiene si tratti di strutture di circa 1057 neutroni, con un raggio di circa 10 kilometri. La struttura della stella a neutroni e il modo in cui i neutroni rimangano uniti in un sistema di queste dimensioni sfugge ancora alla nostra comprensione, e il tetraneutrone potebbe aiutarci, anche se c’è ancora molta strada da fare. Ma qualsiasi viaggio inizia con un primo passo! (Catalina Curceanu)

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Image credit: APS/Alan Stonebraker
Fig. 2: La reazione studiata da Kisamori e collaboratori per la ricerca del tetraneutrone. Un fascio di nuclei di 8He di alta energia urta su un bersaglio di 4He producendo un nucleo di 8Be di alta energia e un sistema di bassa energia costituito da quatto neutroni