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Fundamental nuclear properties measured with laser spectroscopy

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Ottenere un’immagine più chiara del mondo nucleare

Un metodo preciso e sensibile per misurare il comportamento dei nuclei, situati al centro degli atomi, potrebbe contribuire a rivoluzionare la nostra comprensione del tessuto stesso dell’universo.

Ricerca di base

Il nucleo, costituito da un fascio di protoni e neutroni, è al centro di tutta la materia. Ogni atomo è costituito da un nucleo caricato positivamente, circondato da una nuvola di elettroni caricati negativamente. Sebbene la sua esistenza sia stata scoperta più di 100 anni fa, gli scienziati non hanno ancora compreso appieno le sue proprietà. «Una sfida fondamentale per comprendere i nuclei è data dal fatto che la forza tra nucleoni, i protoni e i neutroni, è attualmente mal definita», spiega Kieran Flanagan, professore di fisica nucleare presso l’Università di Manchester, nel Regno Unito. «Tuttavia, vi sono alcuni nuclei che presentano una struttura relativamente semplice. Questi sistemi nucleari rappresentano un laboratorio ideale per una migliore comprensione delle forze tra i nucleoni. Molti di questi nuclei hanno però vita breve e possono essere esaminati solo in strutture nucleari specializzate».

Studio di nuclei a vita breve

Il progetto FNPMLS, sostenuto dall’UE, è stato lanciato con l’obiettivo di misurare con maggiore precisione questi nuclei a vita breve e di far conoscere una tecnica utilizzabile a un pubblico scientifico più ampio. Ciò è stato ottenuto con lo sviluppo di un metodo definito spettroscopia a ionizzazione di risonanza collineare (CRIS, collinear resonance ionisation spectroscopy). La tecnica si applica alla spettroscopia laser per fornire misurazioni dei nuclei ad alta risoluzione. Il progetto è stato realizzato presso la struttura ISOLDE al CERN, la struttura a fasci radioattivi più importante al mondo. «La CRIS è stata proposta per la prima volta all’inizio degli anni ’80 come mezzo per ottenere simultaneamente misurazioni di alta precisione e alta sensibilità» aggiunge Flanagan. «Questa la rende potenzialmente ideale per studiare tali nuclei a vita breve». Sebbene Flanagan e il suo team fossero stati in grado in precedenza di dimostrare l’elevata sensibilità del metodo CRIS, la combinazione di alta precisione e alta sensibilità non era stata realizzata sperimentalmente. «Un obiettivo fondamentale di questo progetto era dimostrare che il metodo CRIS poteva avere successo», afferma Flanagan. «Ciò è stato ottenuto sviluppando un nuovo metodo a luce tronca, in cui i passaggi di risonanza e ionizzazione sono ritardati l’uno dall’altro. Questo migliora la nostra risoluzione di oltre 50 volte».

Progresso della teoria nucleare

Il progetto FNPMLS si basa su quella che Flanagan definisce una «rivoluzione silenziosa» nella teoria nucleare: la rapida espansione della potenza di calcolo. Ciò ha offerto agli scienziati nucleari l’opportunità di prevedere più accuratamente le proprietà dei nuclei. Flanagan considera questo progetto come una continuazione di tali progressi, fornendo agli scienziati uno strumento potenzialmente prezioso per comprendere meglio le interazioni fondamentali che si verificano all’interno del nucleo. Gli esperimenti condotti durante il progetto hanno già aiutato a far progredire la nostra comprensione dei nuclei e hanno contribuito alla teoria nucleare. «La sensibilità del metodo CRIS ha aperto nuove opportunità per studiare molecole radioattive a vita breve, come il monofluoruro di radio», afferma Flanagan. «A causa delle difficoltà associate alla preparazione di campioni radioattivi di monofluoruro di radio, non è stato possibile condurre alcuno studio sperimentale. Tuttavia, siamo stati in grado di misurare la struttura molecolare del monofluoruro di radio per la prima volta e di dimostrare che il metodo CRIS è uno strumento ideale per studiare questi sistemi a breve vita». L’elevata sensibilità del metodo CRIS si presta inoltre a potenziare altre tecniche, che includono il miglioramento delle prestazioni della spettrometria di massa a plasma induttivo (ICP-MS). Questa tecnica prevede una serie di applicazioni fondamentali, ad esempio nella caratterizzazione di rifiuti nucleari a bassa attività e nel risanamento di terreni. «Da allora abbiamo stabilito una collaborazione con il National Nuclear Laboratory e la Nuclear Decommissioning Authority del Regno Unito», osserva. «Abbiamo anche ricevuto una borsa di studio per finanziare un dottorato di ricerca e iniziare a lavorare sullo sviluppo di questo concetto».

Parole chiave

FNPMLS, nucleare, nucleo, protone, elettrone, nucleone, spettroscopia, fisica

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