SPESSORE SUPERIORE AL PREVISTO: SEGNO DI UN’EQUAZIONE DI STATO “STIFF”

Misurata la pelle di neutroni del piombo

Il guscio di neutroni che avvolge i protoni del nucleo di un atomo di piombo è spesso 0,28 femtometri. Un risultato che offre importanti informazioni per comprendere l’equazione di stato della materia nucleare, non solo per i nuclei atomici ma anche per le stelle di neutroni. Ne parliamo con uno degli autori del complesso esperimento, il fisico Guido Maria Urciuoli dell’Infn di Roma

     29/04/2021
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Rappresentazione di un nucleo di piombo 208 che mostra il nucleo misto protoni-neutroni e la “pelle” di neutroni (in alto). La misurazione dello spessore della pelle di neutroni offre indizi su come sono strutturate le stelle di neutroni (in basso). Crediti: Aps/Alan Stonebraker

Com’è fatto un atomo grosso modo ce lo immaginiamo: attorno gli elettroni e al centro il nucleo, dove coabitano protoni e neutroni. Già, ma come coabitano? In che modo sono disposti? Gli scienziati dell’esperimento Prex-II sono ora riusciti a misurare lo spessore del “guscio di neutroni” che forma lo strato più esterno di un nucleo di atomi di piombo. Ciò che hanno calcolato è la differenza fra il raggio della sfera che contiene i neutroni e quello della sfera che contiene i protoni. Il risultato – circa 0.28 femtometri, un po’ superiore alle attese – è stato pubblicato martedì su Physical Review Letters, e offre un contributo anche all’astrofisica, in particolare alla comprensione di alcune proprietà delle stelle di neutroni.

Ma come si può osservare la disposizione dei neutroni in un nucleo? Facciamo un passo indietro, e prendiamo in mano la tavola periodica. Scorrendola elemento per elemento, e in particolare guardando come progrediscono il numero atomico (il numero di protoni) e il “peso atomico” (al quale invece contribuisce anche il numero di neutroni), è facile scorgere una tendenza: mentre i nuclei più leggeri, quelli con pochi protoni, hanno tipicamente un numero uguale di protoni e neutroni, man mano che i nuclei diventano più pesanti i neutroni aumentano più rapidamente dei protoni. Non è un caso: i neutroni contribuiscono alla stabilità del nucleo. Tutti i nuclei stabili con più di venti protoni hanno un numero di neutroni maggiore rispetto a quello di protoni.

L’isotopo del piombo più comune (il piombo-208, quello studiato con l’esperimento Prex-II), per esempio, ha 82 protoni e 126 neutroni. Disposti come? «I protoni in un nucleo di piombo sono in una sfera, e abbiamo scoperto che i neutroni si trovano in una sfera più grande intorno a loro – la chiamiamo pelle di neutroni», spiega uno dei portavoce dell’esperimento, Kent Paschke, della University of Virginia (Usa).

Le prime misure dello spessore di questa “pelle” risalgono al 2012 e arrivano dall’esperimento Prex, il predecessore di Prex-II. Si tratta di misure estremamente complesse. I neutroni, a differenza delle altre particelle subatomiche, non avendo carica elettrica non si possono rilevare attraverso interazioni elettromagnetiche. Per determinarne la distribuzione Prex ricorre dunque a un’altra delle quattro forze fondamentali: la forza nucleare debole. Un fascio di elettroni in rotazione su sé stessi lungo l’asse di spostamento – un po’ come un pallone da rugby in volo – viene diretto verso un sottile foglio di piombo raffreddato a temperature criogeniche. Raggiunti i nuclei di piombo, alcuni elettroni interagiscono elettromagneticamente con i protoni: un’interazione “simmetrica” – sottolineano i ricercatori – in quanto indipendente dal verso di rotazione. Al contrario quella con i neutroni, essendo un’interazione debole, è asimmetrica: avviene più spesso quando lo spin è in una direzione rispetto all’altra.

Ed è proprio sfruttando queste differenze e quest’asimmetria che l’esperimento Prex e – con maggior precisione – il suo successore Prex-II sono riusciti a misurare lo spessore del guscio. Spessore che è dato dalla differenza fra il raggio totale del nucleo e il raggio della sfera interna di protoni – il cosiddetto charge radius, o raggio di carica. «Il raggio di carica è di circa 5,5 femtometri, mentre la distribuzione dei neutroni è un po’ maggiore: circa 5,8 femtometri. Dunque lo spessore della pelle di neutroni è di 0,28 femtometri – vale a dire 0,28 milionesimi di nanometro. Questa è a oggi l’osservazione più diretta del guscio di neutroni», dice Paschke, notando come si tratti di un valore leggermente superiore a quel che si aspettavano. «Significa che siamo in presenza di un’equazione di stato rigida (stiff), ovvero una pressione più alta del previsto, tale da rendere difficile “schiacciare” questi neutroni dentro il nucleo. Stiamo cioè scoprendo che la densità all’interno del nucleo è un po’ inferiore a quanto ci si attendeva».

E perché proprio il piombo? La tecnica impiegata, in effetti, non è limitata ai nuclei di piombo. Recentemente è stata usata anche per il calcio, per esempio, per la precisione sull’isotopo 48Ca. Ma il piombo si presta molto bene a questo tipo di misure. «Il piombo è un elemento stabile, per cui è “facilmente” utilizzabile, in un laboratorio, come bersaglio per elettroni che vanno ad incidere su di esso», spiega infatti a Media Inaf un altro portavoce dell’esperimento Prex-II, il fisico Guido Maria Urciuoli, ricercatore della sezione di Roma dell’Infn. «Il piombo possiede la proprietà di avere una grande differenza tra il numero di neutroni e il numero di protoni e, quindi, era un ottimo candidato per verificare – per la prima volta, in maniera indipendente dai modelli – l’esistenza di una “pelle di neutroni”, ovvero di una differenza (supposta positiva, come in effetti è stato verificato) tra il raggio di neutroni e il raggio di protoni nel nucleo. La misura quantitativa di questa differenza è legata all’equazione di stato della materia ricca di neutroni, equazione da cui dipendono le caratteristiche non solo dei nuclei degli elementi che abbiamo sulla Terra ma anche quelle di quei giganteschi nuclei che sono le stelle dei neutroni. Ovviamente, il nucleo di piombo è il nucleo che per caratteristiche – eccesso di neutroni rispetto ai protoni, densità, eccetera – si avvicina maggiormente alle stelle di neutroni».

Dunque un risultato di notevole interesse anche per gli astrofisici, proprio per le conseguenze che questa misura può avere per la comprensione dell’equazione di stato delle stelle di neutroni. «Quando due stelle di neutroni iniziano a spiraleggiare l’una attorno all’altra, emettono onde gravitazionali come quelle rilevate da Ligo», ricorda a questo proposito un altro scienziato del team di Prex-II, Krishna Kumar della University of Massachusetts Amherst. «Nell’ultima frazione di secondo del loro avvicinamento, l’attrazione gravitazionale di una stella di neutroni deforma l’altra stella di neutroni in una “lacrima” – in realtà, la rende oblunga, un po’ come un pallone da football americano. Se la pelle di neutroni è spessa, questa forma sarà diversa rispetto a quella che la stella di neutroni assumerebbe se la pelle di neutroni fosse più sottile». L’aspetto forse più interessante, continua Kumar, è che «Ligo è in grado di misurare la “forma del pallone”. L’esperimento Ligo e l’esperimento Prex hanno fatto cose molto diverse, ma sono collegati da questa equazione fondamentale: l’equazione di stato della materia nucleare».

Per saperne di più:

  • Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Accurate Determination of the Neutron Skin Thickness of 208Pb through Parity-Violation in Electron Scattering”, di D. Adhikari, H. Albataineh, D. Androic, K. Aniol, D.S. Armstrong, T. Averett, S. Barcus, V. Bellini, R.S. Beminiwattha, J.F. Benesch, H. Bhatt, D. Bhatta Pathak, D. Bhetuwal, B. Blaikie, Q. Campagna, A. Camsonne, G.D. Cates, Y. Chen, C. Clarke, J.C. Cornejo, S. Covrig Dusa, P. Datta, A. Deshpande (11 and 14)D. Dutta, C. Feldman, E. Fuchey, C. Gal (11 and 15 and 14), D. Gaskell, T. Gautam, C. Ayerbe Gayoso, M. Gericke, C. Ghosh (17 and 11), I. Halilovic, J.-O. Hansen, F. Hauenstein, W. Henry, C.J. Horowitz, C. Jantzi, S. Jian, S. Johnston, D.C. Jones, B. Karki, S. Katugampola, C. Keppel, P.M. King, D.E. King, M. Knauss, K.S. Kumar, T. Kutz, N. Lashley-Colthirst, G. Leverick, H. Liu, N. Liyange, S. Malace, R. Mammei, J. Mammei, M. McCaughan, D. McNulty, D. Meekins, C. Metts, R. Michaels, M.M. Mondal (11 and 14)J. Napolitano, A. Narayan, D. Nikolaev, M.N.H. Rashad, V. Owen, C. Palatchi, 14 J. Pan, B. Pandey, S. Park, K.D. Paschke, M. Petrusky, M.L. Pitt, S. Premathilake, A.J.R. Puckett, B. Quinn, R. Radloff, S. Rahman, A. Rathnayake, B.T. Reed, P.E. Reimer, R. Richards, S. Riordan, Y. Roblin, S. Seeds, A. Shahinyan, P. Souder, L. Tang, 16 M. Thiel, Y. Tian, G.M. Urciuoli, E.W. Wertz, B. Wojtsekhowski, B. Yale, T. Ye, A. Yoon, A. Zec, W. Zhang, J. Zhang e X. Zheng