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Zirconio-80: una scoperta doppiamente magica

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Un team di ricercatori, tra cui scienziati del National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) e della Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) della Michigan State University (MSU), ha risolto il caso della massa mancante dello zirconio-80.

Gli sperimentatori hanno dimostrato che lo zirconio-80, un atomo di zirconio con 40 protoni e 40 neutroni nel suo nucleo, è più leggero del previsto, utilizzando l’ineguagliabile capacità di NSCL di creare isotopi rari e analizzarli. Quindi i teorici del FRIB sono stati in grado di spiegare quel pezzo mancante utilizzando modelli nucleari avanzati e nuovi metodi statistici.

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“L’interazione tra teorici nucleari e sperimentatori è come una danza coordinata”, ha affermato Alec Hamaker, assistente di ricerca laureato presso il FRIB e primo autore dello studio pubblicato il 25 novembre sulla rivista Nature Physics. 

“Ognuno, a turno, conduce e segue l’altro. A volte la teoria fa previsioni in anticipo, e altre volte gli esperimenti trovano cose che non erano previste”, ha detto Ryan Ringle, scienziato senior del FRIB Laboratory, che faceva parte del gruppo che ha effettuato la misurazione della massa dello zirconio-80. Ringle è anche professore associato aggiunto di fisica presso il FRIB e il Dipartimento di Fisica e Astronomia della MSU presso il College of Natural Science.

“Si spingono a vicenda e questo si traduce in una migliore comprensione del nucleo, che fondamentalmente costituisce tutto ciò con cui interagiamo”, ha detto.

Quindi questa storia è più grande di un nucleo. In un certo senso, è un’anteprima della potenza di FRIB, una struttura per gli utenti della scienza nucleare supportata dall’Office of Nuclear Physics presso l’Office of Science del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.

Il prossimo anno, gli scienziati nucleari di tutto il mondo avranno la possibilità di lavorare con la tecnologia FRIB per creare isotopi rari che sarebbe impossibile studiare altrove. Avranno anche l’opportunità di lavorare con gli esperti del FRIB per comprendere i risultati di tali studi e le loro implicazioni. Questa conoscenza ha una vasta gamma di applicazioni, dall’aiutare gli scienziati a dare più senso all’universo al miglioramento dei trattamenti contro il cancro.

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“Mentre avanziamo nell’era FRIB, possiamo eseguire misurazioni come abbiamo fatto qui e molto altro ancora”, ha affermato Ringle. “Possiamo spingerci oltre. C’è abbastanza capacità qui per farci imparare per decenni”.

Detto questo, lo zirconio-80 è un nucleo davvero interessante a sé stante.

Per cominciare, è un nucleo difficile da realizzare, ma creare nuclei rari è la specialità di NSCL. L’impianto ha prodotto abbastanza zirconio-80 per consentire a Ringle, Hamaker e ai loro colleghi di determinarne la massa con una precisione senza precedenti. Per fare ciò, hanno utilizzato quello che è noto come spettrometro di massa a trappola di Penning nella struttura a bassa energia e trappola ionica (LEBIT) di NSCL.

“Le persone hanno misurato questa massa prima, ma mai con questa precisione”, ha detto Hamaker“E questo ha rivelato una fisica interessante.”

“Quando effettuiamo misurazioni di massa a questo livello preciso, in realtà stiamo misurando la quantità di massa mancante”, ha affermato Ringle. “La massa di un nucleo non è solo la somma della massa dei suoi protoni e neutroni. C’è una massa mancante che si manifesta come energia che tiene insieme il nucleo”.

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È qui che una delle equazioni più famose della scienza aiuta a spiegare le cose. Nell’E = mc 2 di Albert Einstein, E sta per energia e m sta per massa (c è il simbolo della velocità della luce). Ciò significa che massa ed energia sono equivalenti, sebbene ciò diventi evidente solo in condizioni estreme, come quelle che si trovano nel nucleo di un atomo.

Quando un nucleo ha più energia di legame, il che significa che ha una presa più stretta dei suoi protoni e neutroni, avrà più massa mancante. Questo aiuta a spiegare la situazione dello zirconio-80. Il suo nucleo è strettamente legato e questa nuova misurazione ha rivelato che il legame era ancora più forte del previsto.

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Ciò significava che i teorici del FRIB dovevano trovare una spiegazione e potevano ricorrere alle previsioni di decenni fa per fornire una risposta. Ad esempio, i teorici sospettavano che il nucleo di zirconio-80 potesse essere magico.

Ogni tanto, un particolare nucleo contrasta le sue aspettative di massa avendo un numero speciale di protoni o neutroni. I fisici si riferiscono a questi come numeri magici. La teoria postulava che lo zirconio-80 avesse un numero speciale di protoni e neutroni, il che lo rendeva doppiamente magico.

Esperimenti precedenti hanno dimostrato che lo zirconio-80 ha la forma più simile a una palla da rugby o da football americano che a una sfera. I teorici prevedevano che la forma potesse dare origine a questa doppia magia. Con la misurazione più precisa della massa dello zirconio-80 fino ad oggi, gli scienziati hanno potuto supportare queste idee con dati solidi.

“I teorici avevano previsto che lo zirconio-80 fosse un nucleo doppiamente magico deformato oltre 30 anni fa”, ha detto Hamaker“Ci è voluto del tempo perché gli sperimentali imparassero la danza e fornissero prove per i teorici. Ora che le prove sono lì, i teorici possono elaborare i prossimi passi nella danza”.

Quindi la danza continua e, per estendere la metafora, NSCL, FRIB e MSU offrono una delle sale da ballo più belle per giocare. Vanta una struttura unica nel suo genere, personale esperto e il programma di laurea in fisica nucleare di prim’ordine della nazione.

“Sono in grado di lavorare in loco presso una struttura utente nazionale su argomenti all’avanguardia della scienza nucleare”, ha affermato Hamaker“Questa esperienza mi ha permesso di sviluppare relazioni e imparare da molti membri del personale e dai ricercatori del laboratorio. Il progetto ha avuto successo grazie alla loro dedizione alla scienza e alle strutture e alle attrezzature leader a livello mondiale del laboratorio”.

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