MISURATE IN LABORATORIO LE PROPRIETÀ DELL’ISOTOPO

Ricetta stellare per il gadolinio-154

Per studiare una discrepanza fra l’abbondanza solare del gadolinio-154 rispetto a quanto previsto dai modelli astrofisici, due astronomi dell’Inaf d’Abruzzo – Sergio Cristallo e Luciano Piersanti – hanno chiesto aiuto ai loro colleghi fisici nucleari sperimentali, fra i quali alcuni ricercatori dell’Infn, per compiere nuove misure. I risultati, ottenuti con gli esperimenti n_Tof e Gelina, hanno risolto la discrepanza

     10/04/2020
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Sergio Cristallo (Inaf Abruzzo), coautore dello studio in uscita su Physics Letters B, con due oggetti d’uso comune contenenti gadolinio: i cd e il forno a microonde. Crediti: Inaf

In questo periodo di forzata permanenza in casa, uno sguardo dalla finestra ci fa apprezzare l’immutevole tranquillità e laboriosità della natura. Ovviamente anche il Sole, così lontano da noi, prosegue indisturbato la sua opera di trasformazione di elementi chimici leggeri in elementi più pesanti. E lo stesso fanno le altre stelle nell’universo. Anche gli astrofisici, che si occupano di questi processi fisici, non hanno interrotto le loro ricerche e hanno continuato a interrogarsi sul funzionamento di queste meravigliose macchine celesti. A volte, per meglio comprendere i processi che avvengono dentro le stelle, gli astrofisici chiedono aiuto ai loro colleghi fisici nucleari sperimentali, chiedendo loro di riprodurre in laboratorio ciò che avviene dentro una stella. Questo è esattamente ciò che hanno fatto due ricercatori dell’Inaf – Osservatorio astronomico d’Abruzzo, Sergio Cristallo e Luciano Piersanti, proponendo di effettuare una nuova misura sperimentale in due diversi esperimenti di fisica nucleare: n_Tof, che si trova al Cern (Svizzera), e Gelina, che si trova a Geel (Belgio). I risultati saranno pubblicati su Physics Letters B.

Negli interni stellari, elementi più pesanti del ferro – come oro, argento e piombo – non possono essere creati attraverso reazioni nucleari che coinvolgono due nuclei con carica elettrica, come invece avviene per i più leggeri (nel nucleo del Sole, per esempio, due nuclei di idrogeno interagiscono tra loro formando un nucleo di deuterio, detto anche idrogeno pesante). Per creare nuclei molto pesanti, invece, sono necessari i neutroni, ossia particelle come i protoni, ma senza carica elettrica. Nell’universo sono due i principali processi che vedono coinvolte le catture neutroniche: il processo slow (processo s, che avviene nelle fasi finali delle stelle di massa piccola e intermedia) ed il processo rapid (processo r, che avviene durante le fasi finali nell’evoluzione delle stelle massicce, siano esse singole o in sistemi binari).

Lungo il percorso nucleare di formazione dei vari elementi, esistono alcuni isotopi (ossia nuclei dello stesso elemento, ma con un numero diverso di neutroni) che non possono ricevere alcun contributo dal processo r, in quanto sono schermati da altri nuclei stabili (caselle nere nella figura qui a fianco). Lo studio di tali isotopi, detti “s-only”, è di fondamentale importanza per la calibrazione dei modelli stellari. Tra questi nuclei, figura un isotopo del gadolinio (il 154Gd), la cui nucleosintesi ha evidenziato una discrepanza tra l’abbondanza solare i modelli astrofisici. Per risolvere questo problema, dunque, i ricercatori dell’Inaf d’Abruzzo hanno chiesto aiuto ai fisici nucleari afferenti all’esperimento n_Tof dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn), invitandoli a rimisurare alcune proprietà nucleari di questo nucleo.

La misura è stata condotta in due esperimenti diversi (n_Tof al Cern e Gelina in Belgio, appunto), al fine di estrarre informazioni tra loro complementari. Agli esperimenti è seguita un’intensa attività di analisi dati, che ha portato alla stima della probabilità che questo isotopo possa catturare neutroni in ambienti stellari. Il risultato (auspicato dagli astrofisici) è stato un abbassamento della probabilità di cattura neutronica, con un conseguente innalzamento della sua abbondanza teorica al momento della formazione del Sole. All’interno degli errori osservativi, dunque, teoria e osservazioni sono ora in accordo. Un risultato che conferma la bontà dei modelli teorici e la loro capacità predittiva.

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