Installati con successo presso i Laboratori Nazionali di Legnaro i primi tre cluster tripli di AGATA: i nostri occhi per vedere all’interno del nucleo dell’atomo

In primavera comincerà presso i Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL) la prima campagna sperimentale con lo spettrometro a tracciamento gamma, AGATA. La campagna, portata avanti dal gruppo GAMMA in una ampia collaborazione internazionale che coinvolge i principali paesi europei, utilizzerà fasci intensi di ioni stabili forniti dal complesso di acceleratori Tandem-ALPI-PIAVE. AGATA è il più sofisticato strumento esistente al mondo nel campo della rivelazione di raggi gamma. Basato su cristalli segmentati di germanio iperpuro, è un apparato di rivelazione modulare di tipo innovativo costituito, una volta completato, da 60 cluster tripli. Lo strumento permette, a partire dall’analisi della forma dei segnali elettrici forniti dai cristalli, di effettuare il tracciamento del singolo raggio gamma all’interno del cristallo con una risoluzione spaziale dell’ordine di qualche millimetro.

AGATA permetterà di esplorare, con un’efficienza e una sensibilità senza paragoni, la struttura di nuclei esotici prodotti in collisioni tra ioni pesanti. In una prima fase di sperimentazione presso i LNL, effettuerà misure insieme allo spettrometro magnetico di massa a grande accettanza PRISMA, in aggiunta  a  strumenti complementari per la rivelazione di particelle cariche, neutroni, raggi gamma di alta energia o per la misura di vite medie degli stati nucleari eccitati. I primi tre cluster tripli di AGATA sono stati installati con successo insieme al sistema di supporto al loro funzionamento e all’elettronica per il trattamento dei segnali. Per l’inizio della campagna sperimentale si prevede di installare fino a tredici cluster tripli, coprendo circa un quarto dell’angolo solido ed estendere poi il numero di rivelatori fino ad arrivare a metà dell’angolo solido nei prossimi anni per il prosieguo della campagna.

LABORATORI NAZIONALI DEL GRAN SASSO INFN: NUOVI INDIZI SULLA PRODUZIONE DI ELEMENTI PESANTI NELLE STELLE

Da decenni fisici e astrofisici si interrogano sull’origine degli elementi più pesanti del ferro. Per produrli alle stelle servono i neutroni, che essendo privi di carica sono facilmente catturabili dagli altri ioni, permettendo la sintesi di elementi come il Cadmio, il Tungsteno o il Piombo.

La più importante sorgente di neutroni nelle stelle è il processo ¹³C+a -> ¹⁶O+n:

un nucleo di carbonio 13 cattura una particella alfa e genera un nucleo di ossigeno 16 e un neutrone. Dopo una lunga campagna sperimentale, durata circa 4 anni, la collaborazione internazionale LUNA (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics https://luna.lngs.infn.it ), che opera presso i Laboratori Nazionali del Grasso dell’INFN, ha misurato la velocità di questo processo con un’elevatissima precisione direttamente alle temperature stellari, fornendo informazioni preziosissime per i modelli che riproducono l’evoluzione di una stella.

I risultati di questo lavoro sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista Physical Review Letters dell’American Physical Society:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.152701

Gianluca Imbriani, portavoce della collaborazione LUNA sottolinea che “la nostra conoscenza della sezione d'urto del processo di cattura di una particella alfa da parte di un nucleo di ¹³C, nell'intervallo di energie astrofisiche si è finora basata su estrapolazioni da misure ad energie più elevate e su esperimenti basati su tecniche indirette”.

 “Circa il 50% degli elementi più pesanti del ferro presenti sulla Terra e nel Sistema Solare sono stati prodotti da stelle di massa leggermente più grande di quella del Sole, vissute prima della sua formazione avvenuta 4.5 miliardi di anni fa - dice Oscar Straniero, astrofisico dell’INAF e storico collaboratore di LUNA -. Quando diventano giganti rosse, nell’interno di queste stelle si sviluppano condizioni ideali per l’attivazione del processo ¹³C+a -> ¹⁶O+n, che da inizio alla sintesi di nuclei pesanti”.

“Grazie al livello di fondo fortemente ridotto nel laboratorio sotterraneo del Gran Sasso – aggiungono Alba Formicola ed Andreas Best, che hanno coordinato il lavoro per questa misura – LUNA è l’unico esperimento ad oggi che è riuscito a misurare direttamente il processo ¹³C+a -> ¹⁶O+n nella finestra energetica di interesse astrofisico riducendo drasticamente le incertezze. Ciò determinerà un grande impatto sulla previsione della formazione di una serie di elementi pesanti, la cui sintesi dipende fortemente dalla velocità di questo processo.”

“L’esperimento LUNA proseguirà la sua attività scientifica nel prossimo decennio grazie al progetto LUNA-MV – conclude Matthias Junker responsabile locale per i Laboratori Nazionali del Gran Sasso della collaborazione LUNA -, che si focalizzerà sullo studio dei processi chiave per determinare l'evoluzione di stelle massicce, importanti per comprendere la composizione chimica dell'universo.”

Collaborano a LUNA circa 50 scienziati di Università e Enti di Ricerca provenienti da Italia, Germania, Ungheria e Regno Unito. Per questa misura va sottolineato un contributo in particolare ed è quello del laboratorio Atomki di Debrecen, Ungheria, dove i bersagli necessari a questo esperimento sono stati sviluppati.

Per ulteriori informazioni potete contattare: Gianluca Imbriani Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.

Verso una soluzione del problema cosmologico del litio

Se manca qualcosa che dovrebbe esserci, qual è la causa? ― È noto da decenni che esiste una discrepanza significativa tra l'abbondanza di litio teorica e quella osservata nell'universo primordiale; l'abbondanza primordiale del ⁷Li è infatti sovrastimata e/o sotto-osservata di un fattore 3 – 4. Tale incongruenza è chiamata “problema cosmologico del litio (CLP)”, sebbene la teoria standard del Big Bang sia nota come un modello molto “di successo”, in ottimo accordo con la maggior parte degli altri fatti osservativi.

I ricercatori della collaborazione Italo-Giapponese hanno ora trovato prove sperimentali che l'abbondanza teorica di ⁷Li dovrebbe essere corretta verso il basso di circa il 10%. Questa non è ancora una soluzione completa, ma un contributo necessario per gli ulteriori approcci teorici alla soluzione CLP con compiti leggermente meno impegnativi.

Il litio primigenio viene creato durante il periodo della nucleosintesi del Big Bang (BBN), così come l'idrogeno e l'elio, da un miscuglio di protoni e neutroni. La BBN è una complessa rete di reazioni nucleari e l'abbondanza di un nuclide dipende non solo dalla reazione diretta a produrlo, ma anche dalla reazione per distruggerlo e spesso da altre reazioni lungo connesse. Ad esempio, l'abbondanza di ⁷Li è principalmente dominata dai processi di produzione e distruzione di ⁷Be. Questi studi sono stati inseriti nel contesto dell’attività scientifica di ASFIN nel campo dello studio della nucleosintesi primordiale, risultati poi discussi in vari articoli  negli ultimi anni.

Seiya Hayakawa del Center for Nuclear Study dell'Università di Tokyo in collaborazione con il gruppo ASFIN dell’INFN – LNS, la Sungkyunkwan University e altre istituzioni conduce un progetto sperimentale che mira a misurare le reazioni nucleari responsabili della riduzione del ⁷Be nella BBN. Recentemente, ci sono stati diversi tentativi di misurare queste reazioni ⁷Be(n, p)⁷Li e ⁷Be(n, α)⁴He anche da parte di altri gruppi di ricerca, ma i dati nella regione energetica rilevante per la BBN risultano essere ancora piuttosto scarsi.

Queste reazioni sono molto difficili da investigare direttamente poiché sia il ⁷Be che il neutrone sono instabili. Il gruppo di ricerca ha proposto di utilizzare il deutone come bersaglio invece di un neutrone nudo e un fascio ⁷Be prodotto dal CRIB (Center-for-Nuclear-Study Radioactive Ion Beam separator, https://www.cns.su-tokyo.ac.jp/crib/crib-new/home-en/index.html). Si tratta di una tecnica unica nota come metodo del cavallo di Troia, sviluppata dal gruppo di astrofisica nucleare dell'INFN – LNS. Con questo metodo, il deutone è come il cavallo di Troia nel mito greco, ed il neutrone è il soldato che si insinua nell'inespugnabile città di Troia, cioè le reazioni di interesse, ⁷Be(n, p)⁷Li e ⁷Be(n, α)⁴He. Il risultato sperimentale mostra per la prima volta un contributo significativo della transizione al primo stato eccitato di ⁷Li, che offre un'ulteriore riduzione del ⁷Be durante la BBN e infine una minore abbondanza di ⁷Li di circa il 10%.

Setup sperimentale e illustrazione concettuale del Metodo del Cavallo di Troia

Link all'articolo: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac061f

Press release dell'Università di Tokyo (in giapponese): https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/info/7456/

Press release dell'Università di Tokyo (in inglese): https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00184.html

Per maggiori dettagli:

Seiya Hayakawa
Center for Nuclear Study, The University of Tokyo
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Marco La Cognata
INFN – LNS
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Una nuova analisi di reazioni nucleari solleva interrogativi sull’evoluzione delle stelle più antiche

Le stelle più antiche, che risalgono a più di 13 miliardi di anni fa, mostrano delle abbondanze di calcio sorprendentemente elevate. Tra i vari modelli suggeriti dagli astrofisici per spiegare questo curioso comportamento, uno dei più accreditati si basa sul fatto che queste vecchie stelle siano state originate dal materiale proveniente da una generazione di stelle massicce primigenie formatesi poco dopo il big bang. Queste stelle primigenie avrebbero terminato la loro esistenza in un processo di “debole supernova” (faint-supernova), ed avrebbero prodotto elementi fino a popolare la regione del calcio. Affinché questo possa accadere, le stelle primigenie avrebbero dovuto bruciare l'idrogeno in calcio attraverso una serie di cosiddette reazioni di breakout.
Tra tutte queste reazioni, quelle che coinvolgono un protone ed un nucleo di fluoro-19 si trovano ad uno snodo critico nel cammino verso la produzione di calcio: se la reazione porta all’emissione di un raggio gamma e di un nucleo di neon-20, il processo di nucleosintesi va avanti, mentre se essa porta alla produzione di una particella alfa ed un nucleo di ossigeno-16, il processo fa un passo indietro.
Visto il ruolo particolarmente delicato di queste reazioni nucleari, un gruppo di ricercatori statunitensi, canadesi ed italiani, ha raccolto ed analizzato, tramite raffinati modelli quantistici di reazioni nucleari, i dati sperimentali che sono andati accumulandosi in letteratura da oltre settant’anni sulle collisioni tra protoni e nuclei di fluoro-19. In questo modo sono state ricavate nuove stime sui tassi di queste reazioni nucleari nelle stelle e sulle loro incertezze, che sono state adoperate all’interno di complessi calcoli di nucleosintesi stellare. L’abbondanza di calcio così ottenuta è ben più bassa rispetto a quanto osservato sperimentalmente, malgrado le notevoli incertezze dovute alla difficoltà di conoscere la struttura nucleare di alcuni stati del neon-20. Questa nuova tensione tra le previsioni teoriche e le osservazioni sperimentali sul calcio nelle stelle più antiche pone dei dubbi sulla consistenza dei processi di debole supernova e richiama l’attenzione sulla necessità di ottenere nuovi dati sulle reazioni nucleari p+¹⁹F a bassa energia.
Per l’impatto dei risultati ottenuti su uno degli scenari astrofisici oggigiorno più dibattuti, il lavoro è stato segnalato come Editors’ Suggestions della rivista Physical Review C ed è stato oggetto di una sinossi sul prestigioso magazine Physics della American Physical Society.
A questo lavoro di ricerca ha contribuito, dal lato italiano, il Dr. Ivano Lombardo, ricercatore della Sezione INFN di Catania, che negli anni passati ha realizzato varie misure di basse energie ai Laboratori Nazionali di Legnaro dell’INFN e all’acceleratore Tandem di Napoli sui canali delle reazioni nucleari p+¹⁹F in cui vengono emessi una particella alfa ed un nucleo di ossigeno-16.
Per ulteriori informazioni sull’argomento della ricerca, si rimanda all’articolo originale:
R. J. deBoer, O. Clarkson, A. J. Couture, J. Görres, F. Herwig, I. Lombardo, P. Scholz and M. Wiescher, ¹⁹F(p, γ)²⁰Ne and ¹⁹F(p,α)¹⁶O reaction rates and their effect on calcium production in Population III stars from hot CNO breakout, PHYSICAL REVIEW C 103, 055815 (2021)
ed alla sinossi su Physics:
M. Schirber, Uncertainty over First Stars, May 26, 2021 • Physics 14, s66