Per più di 50 anni, gli scienziati hanno ritenuto che gli stati ad alta energia dei nuclei atomici pesanti fossero caotici. Ma ci sono nuove scoperte. Ne parla DAVIDE CELLAI
Per più di 50 anni, gli scienziati hanno ritenuto che gli stati ad alta energia dei nuclei atomici pesanti fossero caotici. Finora sembrava che le osservazioni sperimentali supportassero questa ipotesi. Tuttavia, recenti dati dall’acceleratore lineare di Oak Ridge negli Usa dimostrano il contrario. I nuovi risultati suggeriscono che i quasi 200 nucleoni all’interno del nucleo di platino studiato agiscono all’unisono e presentano un’inaspettata regolarità. In generale, i nuclei atomici sono costituiti da protoni e neutroni (detti collettivamente nucleoni) che interagiscono fra loro in modo molto complicato. All’aumentare del peso dei nuclei, ovvero man mano che aumenta il numero di protoni e neutroni che li costituiscono, queste interazioni diventano sempre più complicate e difficili da studiare. In sostanza i nuclei si comportano come un tutt’uno e le loro proprietà, come per esempio i valori di energia che possono assumere, sono del tutto diverse da quelle delle particelle che li costituiscono.
Finora si pensava che il comportamento dei nuclei medi e pesanti fosse ben descritto da una teoria nota come Random Matrix Theory (RMT, Teoria della matrice casuale). Questa teoria si basa sull’ipotesi secondo cui il comportamento dei nuclei atomici composti da un alto numero di nucleoni è essenzialmente caotico. In altre parole, gran parte delle proprietà del nucleo dipendono da considerazioni generali e non da particolari dettagli del singolo elemento. Se vogliamo fare un’analogia, è un po’ come se mettessimo un grande numero di galleggianti in mezzo a un laghetto. Se le acque sono abbastanza tranquille e non ci sono correnti, non possiamo prevedere come si evolverà la posizione di un singolo galleggiante, ma possiamo dire che dopo un certo numero di ore i galleggianti saranno omogeneamente distribuiti su una vasta area circolare centrata nel punto di partenza.
Così si pensava che funzionassero anche i nuclei pesanti ad alte energie: impossibile determinare i singoli dettagli delle interazioni, o i movimenti dei singoli nucleoni, ma possibile stabilire la struttura dei livelli energetici del nucleo nel suo complesso. La teoria RMT è accettata da cinque decenni, in quanto ha sempre descritto in modo efficace tutti i nuclei studiati. Negli anni ’80 si era manifestato solo un problema sull’attendibilità di alcune tecniche sperimentali e analisi dei dati legati a un certo tipo di analisi spettroscopiche. Una volta superate queste difficoltà tecniche, dopo molti anni, il fisico Paul Koehler e i suoi colleghi dell’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) sono fra quanti si preoccupano di verificare più approfonditamente la validità delle misure, per confermare la teoria RMT. Il risultato è sorprendente. Studiando alcuni nuclei di platino, Koehler e i suoi colleghi osservano un comportamento che suggerisce che i quasi 200 nucleoni all’interno del nucleo di platino agiscono all’unisono e presentano proprietà regolari, invece che caotiche come previsto dalla teoria RMT.
In particolare, i ricercatori mostrano che i loro risultati confutano la teoria RMT con una probabilità del 99,997%. Per confermare questa scoperta, però, nuovi esperimenti devono essere completati: in particolare con altri elementi diversi dal platino, per verificare che questo fenomeno costituisce una proprietà generale dei nuclei e non è una particolarità del platino. Date le energie relativamente alte e il grande numero di nucleoni coinvolti, questo comportamento collettivo è totalmente inaspettato e inspiegabile. Chiaramente, almeno una delle ipotesi su cui si basa la teoria deve essere falsa. Una possibile spiegazione potrebbe essere, quindi, che questi nuclei hanno un comportamento non caotico ma coerente, come se i nucleoni si organizzassero in maniera non casuale: qualche strana corrente fluisce nelle acque del nostro immaginario laghetto.
Un’altra spiegazione potrebbe essere che una teoria ancora più fondamentale – detta invarianza di forma – sia violata. «Comunque sia, dato che queste assunzioni sono alla base del modello statistico dei nuclei, l’impatto di queste nuove scoperte potrebbe essere molto ampio in tutta la fisica nucleare, l’astrofisica nucleare e in applicazioni come l’energia nucleare», ha commentato Koehler.
La teoria RMT, infatti, è anche usata per stimare la probabilità che i neutroni sparati contro un nucleo riescano a sfuggire alle sua forza attrattiva. Questi valori sono importanti e vengono usati per determinare la schermatura dei reattori nucleari. Anche se le protezioni predisposte sono sempre abbondanti, ottenere una stima accurata della schermatura necessaria sarebbe utile per migliorare gli standard di sicurezza dei reattori nucleari del futuro.
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