Processo νr: svelata la nucleosintesi di isotopi rari

Un team di ricercatori ha ipotizzato un nuovo processo di nucleosintesi, denominato processo νr. Questo meccanismo potrebbe rappresentare la chiave per risolvere un enigma di lunga data

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Processo νr: svelata la nucleosintesi di isotopi rari
Processo νr: svelata la nucleosintesi di isotopi rari

Un team di ricercatori del GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, della Technische Universität Darmstadt e del Max Planck Institute for Astrophysics ha ipotizzato un nuovo processo di nucleosintesi, denominato processo νr. Questo meccanismo potrebbe rappresentare la chiave per risolvere un enigma di lunga data: la formazione di p-nuclei, isotopi rari presenti nel sistema solare ma la cui origine rimaneva avvolta nel mistero.

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Come funziona il processo νr

Il processo νr si attiva quando materiale ricco di neutroni viene esposto a un flusso intenso di neutrini. Questi vengono assorbiti dai nuclei atomici già esistenti, innescando una serie di reazioni nucleari che portano alla produzione di p-nuclei. La particolarità di questo processo è che le reazioni deboli coinvolte sono assorbimenti di neutrini, al contrario di quanto avviene nella cattura rapida dei neutroni, dove si verificano decadimenti beta.

I processi di fusione che operano in stelle massicce producono nuclei fino al ferro e al nichel. Oltre a questi, la maggior parte dei nuclei pesanti stabili, come il piombo e l’oro, vengono prodotti tramite processi di cattura neutronica lenti o rapidi. Per la produzione degli altri, che sono carenti di neutroni, sono stati suggeriti diversi processi di nucleosintesi. Tuttavia, è rimasta una sfida spiegare le grandi abbondanze di 92,94 Mo, 96,98 Ru e 92 Nb nel primo sistema solare.

Il processo νr, catalizzato dai neutrini, permette la produzione simultanea di nuclei pesanti altrimenti inaccessibili. Questo meccanismo si attiva all’interno di deflussi ricchi di neutroni nelle esplosioni astrofisiche. Inizialmente, quando le temperature sono elevate, questi deflussi sono composti da neutroni e nuclei in prossimità del ferro e del nichel. Con il graduale abbassamento della temperatura, i nuclei più leggeri si combinano per dar vita a nuclei più pesanti attraverso una serie di catture di neutroni e processi di interazione debole.



I p-nuclei sono contrassegnati in rosso. Credito: Zewei Xiong
I p-nuclei sono contrassegnati in rosso. Credito: Zewei Xiong

Processo νr in esplosioni stellari magnetiche

A differenza del processo di cattura rapida dei neutroni, in cui le reazioni deboli sono decadimenti beta, per il processo νr si tratta di reazioni di assorbimento dei neutrini. Una volta esauriti i neutroni liberi, ulteriori reazioni di assorbimento dei neutrini convertono i neutroni legati nei nuclei in protoni spingendo i nuclei prodotti verso e anche oltre la linea di stabilità beta.

Le energie dei neutrini sono abbastanza grandi da eccitare i nuclei verso stati che decadono per emissione di neutroni, protoni e particelle alfa. Le particelle emesse vengono catturate dai nuclei pesanti. Questo innesca una serie di reazioni di cattura catalizzate dai neutrini che determinano le abbondanze finali di elementi prodotti dal processo νr.

Zewei Xiong, scienziato del Dipartimento di astrofisica e struttura nucleare GSI/FAIR e autore corrispondente dell’articolo pubblicato sulla rivista Physical Review Letters,
ha spiegato: “La nostra scoperta apre una nuova possibilità per spiegare l’origine dei p-nuclei attraverso reazioni di assorbimento dei neutrini sui nuclei”.

Dopo aver determinato la serie di reazioni che guidano il processo νr, resta da identificare il tipo di esplosione stellare in cui avviene. Nella loro pubblicazione, gli autori hanno proposto che il processo νr operi in materiale che viene espulso in un ambiente con forti campi magnetici, come nelle supernove magneto-rotazionali, nelle collapsar o nelle magnetar. Questo suggerimento ha spinto gli astrofisici a cercare le condizioni adatte, e in effetti una prima pubblicazione ha già riportato che i materiali espulsi spinti magneticamente raggiungono le condizioni necessarie.

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Conclusioni

Il processo νr richiede la conoscenza delle reazioni dei neutrini e delle reazioni di cattura dei neutroni su nuclei situati su entrambi i lati della linea di stabilità beta. La misurazione delle reazioni rilevanti diventerà possibile grazie alle capacità uniche dell’anello di accumulo presso la struttura GSI/FAIR.

La scoperta del processo νr apre nuove prospettive sulla nucleosintesi, il processo di creazione degli elementi chimici nell’universo. Esso potrebbe infatti spiegare la formazione di p-nuclei che finora non trovava riscontro nei modelli nucleosintetici tradizionali. Inoltre, la comprensione di questo processo potrebbe fornire informazioni sugli eventi nucleosintetici che hanno avuto luogo nelle prime fasi dell’universo e sulla formazione degli elementi pesanti che compongono la materia che ci circonda.

Le sue implicazioni potenziali sono immense, sia per la scienza nucleare che per l’astrofisica.

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