La “pelle di neutroni”: una promessa per la ricerca sperimentale.

La fisica è la scienza delle nuove sfide, colei che riesce a porsi nuove domande per capire il funzionamento del mondo naturale e della materia. I fisici invece sono coloro che (s)confinano il proprio sguardo verso la realtà in modo meno velato su ciò che appare banalità quotidiana. Digeriscono i segreti della matematica, così da metabolizzarli in leggi. Sono dei cultori della rarefatta bellezza che ci circonda. Considerata il premio per vedere con occhi nuovi il mondo in cui viviamo, o i mondi che ci piacerebbe conoscere.

Non meraviglia, allora, la dedizione di coloro che dedicano le proprie energie a portare la fisica verso nuove, audaci, frontiere di ricerca.

Di recente, Matteo Cadeddu – ricercatore nell’Università di Cagliari e membro INFN – e Carlo Giunti – ricercatore INFN per la sezione di Torino – sono riusciti a spingersi al di là della teoria, indagando sperimentalmente la disposizione dei neutroni all’interno del nucleo atomico del Cesio e dello Iodio. La loro ricerca (Average CsI neutron density distribution from COHERENT data) nata da una collaborazione con Y. F. Li – membro dell’Accademia delle Scienze Cinese – e Y. Y. Zhang – membro dell’Istituto della Fisica delle Alte Energie di Beijing – è stata pubblicata ieri nella Physical Review Letters.

Il loro obiettivo era di misurare – per la prima volta – il raggio di distribuzione dei neutroni grazie agli urti con il neutrino, la più sfuggente delle particelle elementari. Un processo che è anche alla base di XENONnt e DarkSide (i grandi epserimenti ospitati all’interno dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso) voluti dall’INFN per la ricerca della materia oscura.

Già in un articolo dell’INAF, Cadeddu lasciava trasparire l’emozione nell’annunciare l’irrimediabile successo del suo lavoro: «Finora non avevamo un modo per misurare il raggio della distribuzione di tutti i neutroni in un nucleo in maniera affidabile, come avviene invece per i protoni». Siamo di fronte ad filone inesplorato, capace di mettere in evidenza come «utilizzando i neutrini è possibile “fotografare” la distribuzione dei neutroni all’interno dei nuclei».

 

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Matteo Cadeddu – ricercatore nell’Università di Cagliari e membro INFN

Lo studio e l’analisi sperimentale di un atomo elementare si spinge su diversi livelli, ma per noi (oggi) i protoni sono abbastanza facili da osservare intorno al nucleo. Del resto, è la loro carica la principale fonte di informazione. Cosa ben diversa avviene per i neutroni, di cui – per via della loro mancata carica – sappiamo ancora poco. Il motivo ce lo spiega Giunti: «in generale, i nuclei pesanti possiedono un numero di neutroni maggiore rispetto a quello di protoni. Questo perché la forza forte che tiene uniti i nucleoni (ovvero, protoni e neutroni) agisce a corto raggio e solo tra nucleoni vicini».

Ciò significa che, se in un elemento chimico è presente un eccesso di neutroni, il suo raggio di distribuzione spaziale sarà più grande di quello mantenuto dai “vicini” protoni che, avendo una carica positiva (mutuamente repulsiva), tendono a distanziarsi gli uni dagli altri. Questa proprietà che riguarda l’intero nucleo, è stata battezzata dai due scienziati “pelle di neutroni”.

Le intuizioni sperimentali di Cadeddu e Giunti sono il frutto, tutto italiano, di quanto iniziato già da tempo negli Stati Uniti grazie all’acceleratore Spallation Neutron Source (ubicato all’interno dell’Oak Ridge National Laboratory, sito nella splendida regione del Tennessee) in cui l’interazione dei neutrini riguardava (grazie alla diffusione coerente, per l’appunto) direttamente il nucleo di un atomo, evitando un loro possibile contatto con i protoni e i neutroni ivi presenti.

Sebbene questo processo fosse stato già predetto (in chiave teorica) oltre quarant’anni fa, è solo oggi, grazie alla collaborazione internazionale COHERENT – di cui Cadeddu e Giunti hanno analizzato in modo indipendente i dati – che i risultati sperimentali sono riusciti a darne prova.

Carlo Giunti conferma, entusiasta, che la “pelle dei neutroni” «incrementando, rispetto ai modelli teorici, il valore del raggio di distribuzione dei neutroni all’interno dell’atomo di Cesio, avvierà un filone di ricerca nuovo e tutto da esplorare».

 

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Carlo Giunti – ricercatore INFN per la sezione di Torino

Ed è proprio la sperimentazione avanzata a darci indicazioni precise su quale sia realmente il comportamento delle particelle elementari rispetto a quanto teorizzato e simulato dai modelli teorici. Esempio ne è che oggi possiamo dire come, nella realtà, i neutroni abbiano un comportamento diverso rispetto a quanto accade nelle simulazioni permesse dai modelli di fisica teorica.

Le strade aperte dalla “pelle di neutroni” mostrano un panorama ridente, pronto a tracciare future implicazioni sia per la fisica degli ioni pesanti che per l’astrofisica.

Questo perché in natura esistono particolari relazioni tra quello che è il raggio dei neutroni all’interno dei nuclei (pesanti) e il raggio proprio di una stella di neutroni. Una prova collaterale è che – di recente – gli interferometri LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory con un osservatorio a Livingston e uno ad Hanford) e Virgo (situato a Cascìna) hanno rilevato il fenomeno fisico (le onde gravitazionali) che deriva dalla fusione di due stelle di neutroni; dandoci poi  indicazioni molto precise sulle dimensioni delle stesse.

Questi dati ci aiutano ad aggiungere un tassello importante al meraviglioso puzzle della conoscenza, portandoci ad averne un quadro sempre più completo.

Cadeddu aggiunge anche che «Il fatto di aver trovato un valore più grande del raggio dei neutroni di nuclei pesanti come il Cesio, ci permette di avere alcune informazioni su quale sarà il raggio di una stella di neutroni». Un altro punto che vale la pena mettere in evidenza, soprattutto per il lavoro che giovani ricercatori internazionali svolgono al CERN di Ginevra riguardo all’urto degli ioni pesanti e alla ricerca di materia oscura.

«La diffusione coerente di neutrini non rappresenta solamente una via per sondare i nuclei ma costituisce, purtroppo, anche un rumore di fondo ineliminabile per la ricerca diretta della materia oscura» conferma poi Giunti. Se i candidati più promettenti di materia oscura sono le poco interattive WIMPs (Weakly Interactive Massive Partciles) capire le modalità dell’intima relazione che vi è fra queste e i neutrini ci permetterà di fare delle precise distinzioni, rispetto al rilevamento di un evento piuttosto che un altro in quelli che saranno gli acceleratori del futuro».

Non ci resta che attendere i futuri risvolti di questo contributo, unico nel suo genere e precursore di importanti rivolgimenti riguardo alle domande lasciate (ancora) aperte.

 

LH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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