L’esperimento CLAS fa luce sulla struttura interna dei protoni

In un esperimento effettuato col rivelatore CLAS al Jefferson Lab (USA), usando come sonda un fascio di elettroni polarizzati e accelerati a energie intermedie (dell’ordine della massa del protone), è stato possibile misurare delle proprietà globali di protoni polarizzati in un forte campo magnetico. La misura consente di verificare le teorie efficaci derivate dalla cromodinamica quantistica (QCD), la teoria che descrive la forza fondamentale forte. Ciò consente quindi di migliorare la comprensione della struttura interna e delle proprietà globali dei nucleoni, cioè dei protoni e dei neutroni che compongono i nuclei atomici, descrivendo le dinamiche tra i loro costituenti (quark), e i mediatori della forza forte (gluoni). I risultati dell’esperimento, che ha visto un decisivo contributo dell’INFN e alcuni italiani tra i portavoce, sono stati pubblicati su Nature Physics. Nuove misure sono ora in corso con il nuovo apparato CLAS12 (foto), e nei prossimi anni completeranno il quadro, fornendo maggiori dettagli sulle complesse interazioni tra quark e gluoni e su come queste influenzino lo spin dei nucleoni.

Alla caccia del meccanismo di generazione di momento angolare nella fissione nucleare

La collaborazione NU-BALL fa luce su uno dei misteri decennali della fisica nucleare

La fissione nucleare è il meccanismo per cui un nucleo pesante di spacca in due frammenti e rilascia energia. Tale fenomeno, scoperto alla fine degli anni ’30 del secolo scorso dai chimici Otto Hahn e Fritz Strassmann e dai fisici Lise Meitner e Otto Frisch, offre ancora aspetti affascinanti e misteriosi da scoprire. A seguito del processo di fissione, i due frammenti emergono in rotazione e questa osservazione è considerata da decenni uno dei misteri più importanti della fisica nucleare: è infatti estremamente difficile comprendere la generazione di 6-7 unità di momento (o spin) per ciascun frammento, a partire da sistemi praticamente a spin zero.

In una serie di esperimenti condotti presso il laboratorio Irène-Joliot-Curie di Orsay (Francia), è stato ora sorprendentemente osservato che i frammenti di fissione acquistano momento angolare solo dopo la fissione e non prima, contrariamente a quanto ipotizzato dalla maggior parte degli approcci teorici. Tale scoperta è stata ottenuta dalla collaborazione internazionale di fisica nucleare NU-BALL che ha misurato, con alta precisione, la radiazione gamma emessa dalla fissione indotta da neutroni veloci su isotopi di uranio ²³⁸U e torio ²³²Tn, in una campagna sperimentale durata 7 settimane.

Queste inaspettate osservazioni sulla generazione del momento angolare nella fissione nucleare sono di importanza fondamentale per una approfondita comprensione del processo di fissione, con ricadute importanti anche in altre aree di ricerca, come ad esempio lo studio degli isotopi ricchi di neutroni, la sintesi e stabilità degli elementi super-pesanti e, in campo applicativo, il riscaldamento dei reattori nucleari a causa della radiazione gamma.

I risultati della misura di NU-BALL sono stati pubblicati sulla rivista Nature il 25/02/2021, https://doi.org/10.1038/s41586-021-03304-w

La collaborazione NU-BALL ha utilizzato uno spettrometro gamma ad alta granularità, composto da più di 100 rivelatori al germanio iperpuro, appartenenti al network europeo GAMMAPOOL (http://gammapool.lnl.infn.it). La collaborazione include ricercatori da 37 istituzioni e 16 paesi, tra cui fisici nucleari dell’Università di Milano e dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (esperimento GAMMA, Commissione Scientifica Nazionale 3) che hanno contribuito attivamente alla messa a punto dei rivelatori, all’analisi dati e alla interpretazione teorica dei risultati ottenuti e ora pubblicati su Nature.

Per maggiori informazioni

Prof.ssa Silvia Leoni, Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.

Al via l’installazione di AGATA ai Laboratori Nazionali di Legnaro

AGATA è uno spettrometro per raggi gamma frutto di una collaborazione europea, costituito da cristalli di germanio iper puro segmentati. Si tratta del più sofisticato rivelatore per raggi gamma, completamente innovativo perché permette di tracciare il percorso del singolo fotone dentro il cristallo di germanio con una risoluzione di qualche millimetro. Questo consente di aumentare notevolmente l'efficienza di rivelazione dello spettrometro AGATA e di individuare con alta precisione la direzione del fotone incidente sul rivelatore. L’elevata precisione posizionale si ottiene grazie all’analisi della forma dei segnali elettronici prodotti dai raggi gamma.
Grazie a queste caratteristiche senza precedenti, il rivelatore AGATA è un vero e proprio “occhio” capace di guardare all'interno dei nuclei atomici prodotti nelle collisioni fra ioni accelerati, il tipo di esperimenti che si effettueranno presso i Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL) a partire dal 2022. Con queste misure si potranno studiare in dettaglio le proprietà degli stati eccitati dei nuclei atomici, aiutandoci così a comprendere la struttura del nucleo e le forze che in esso legano protoni e neutroni, costituendo il mondo attorno a noi. Non solo: gli esperimenti con AGATA ci permetteranno anche di capire come avviene la nucleosintesi degli elementi nei processi stellari, come per esempio le collisioni di stelle di neutroni.
L'arrivo di AGATA a LNL si sposa quindi perfettamente con l'entrata in funzione a LNL, nei prossimi anni, del nuovo sistema di acceleratori SPES che consentirà di studiare reazioni nucleari usando fasci di nuclei esotici, cioè instabili, avvicinandoci quindi sempre più a quello che succede nell'universo nei siti astronomici in cui vengono generati gli elementi che costituiscono il nostro mondo.
La comunità scientifica italiana, rappresentata dal personale dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), è uno dei pilastri portanti di questo progetto europeo di frontiera per la spettroscopia gamma e, non a caso, una fase importante dello sviluppo e dell' utilizzo di AGATA si svolgerà in Italia nei prossimi anni.

Ora sappiamo quando gli atomi di antidrogeno vengono prodotti

Atomi di anti-idrogeno freddi (con temperatura attorno al K o sub K) sono uno strumento molto potente per verificare la validita’ di principi fondamentali della  fisica. Il progetto di esperimenti molto sensibili richiede di sintetizzare in laboratorio anti-idrogeno in condizioni molto ben controllate, cioè  con posizione, energia, stato quantico e istante al quale vengono prodotti ben conosciuti. L’articolo della collaborazione AEgIS pubblicato l’8 febbario 2021 sulla rivista Communications Physics  (https://www.nature.com/articles/s42005-020-00494-z) presenta i risultati sulla produzione impulsata di anti-idrogeno in cui il 90% degli atomi è prodotto entro un intervallo di soli 250 ns. Questo risultato migliora di un fattore 1000 la conoscenza dell’istante di produzione rispetto a metodi pre-esistenti.

I risultati sono stati ottenuti durante la presa dati nel 2018 al CERN presso l’Antiproton Decelerator. Il processo utilizzato è lo scambio carica tra positronio  – formato lanciando positroni su un bersaglio di silicio nanoporoso ed eccitato con laser impulsati – e antiprotoni, raffreddati e confinati in trappole elettromagnetiche (come indicato nella figura).

Il numero di eventi osservati è 79 e solamente  33.4 ± 4.6 eventi simili (segnali di fondo)  dovuti a annichilazione di antiprotoni sarebbero attesi in assenza di formazione di anti-idrogeno. Quindi la probabilta’ che l’osservazione non corrisponda ad antidrogeno e’ solamente di 1 parte su 3.5 milioni.

Il piccolo numero di anti-atomi osservato è consistente con quello atteso nelle specifiche condizioni sperimentali e questo indica che un flusso maggiore di atomi sarà ottenibile con un numero maggiore di antiprotoni, atomi di positronio e diversa geometria della zona di interazione.

Il controllo dell’istante di produzione di anti-idrogeno è una milestone importante verso lo scopo principale di AEgIS, cioè  la misura diretta della accelerazione di gravità su antimateria.