Quasi tutto l'ossigeno nel nostro universo è forgiato nel ventre di stelle massicce come il nostro sole. Mentre queste stelle si contraggono e bruciano, innescano reazioni termonucleari all'interno dei loro nuclei, dove nuclei di carbonio ed elio possono scontrarsi e fondersi in una rara ma essenziale reazione nucleare che genera gran parte dell'ossigeno nell'universo.

La velocità di questa reazione generatrice di ossigeno è stata incredibilmente difficile da definire. Ma se i ricercatori possono ottenere una stima sufficientemente buona di quella che è nota come "velocità di reazione di cattura radiativa, "possono cominciare a elaborare le risposte alle domande fondamentali, come il rapporto tra carbonio e ossigeno nell'universo. Una velocità accurata potrebbe anche aiutarli a determinare se una stella che esplode assumerà la forma di un buco nero o di una stella di neutroni.

Ora i fisici del Laboratory for Nuclear Science (LNS) del MIT hanno escogitato un progetto sperimentale che potrebbe aiutare a stabilire la velocità di questa reazione generatrice di ossigeno. L'approccio richiede un tipo di acceleratore di particelle ancora in costruzione, in diverse località del mondo. Una volta installato e funzionante, tali acceleratori lineari "multimegawatt" possono fornire le condizioni giuste per eseguire la reazione generatrice di ossigeno al contrario, come se tornasse indietro l'orologio della formazione stellare.

I ricercatori affermano che una tale "reazione inversa" dovrebbe fornire loro una stima della velocità di reazione che si verifica effettivamente nelle stelle, con maggiore precisione rispetto a quanto precedentemente ottenuto.

"La descrizione del lavoro di un fisico è capire il mondo, e proprio ora, non capiamo bene da dove provenga l'ossigeno nell'universo, e, come sono fatti ossigeno e carbonio, "dice Richard Milner, professore di fisica al MIT. "Se abbiamo ragione, questa misurazione ci aiuterà a rispondere ad alcune di queste importanti domande nella fisica nucleare riguardo all'origine degli elementi".

Milner è coautore di un articolo apparso oggi sulla rivista Physical Review C, insieme all'autore principale e postdoc del MIT-LNS Ivica Friščić e al MIT Center for Theoretical Physics Senior Research Scientist T. William Donnelly.

Un calo precipitoso

La velocità di reazione di cattura radiativa si riferisce alla reazione tra un nucleo di carbonio-12 e un nucleo di elio, nota anche come particella alfa, che si svolge all'interno di una stella. Quando questi due nuclei si scontrano, il nucleo di carbonio "cattura" efficacemente la particella alfa, e nel processo, è eccitato e irradia energia sotto forma di fotone. Quello che resta è un nucleo di ossigeno-16, che alla fine decade in una forma stabile di ossigeno che esiste nella nostra atmosfera.

Ma le possibilità che questa reazione avvenga naturalmente in una stella sono incredibilmente scarse, a causa del fatto che sia una particella alfa che un nucleo di carbonio-12 sono altamente caricati positivamente. Se entrano in stretto contatto, sono naturalmente inclini a respingere, in quella che è nota come forza di Coulomb. Per fondersi per formare ossigeno, la coppia dovrebbe scontrarsi a energie sufficientemente elevate per superare la forza di Coulomb, un evento raro. Una velocità di reazione così estremamente bassa sarebbe impossibile da rilevare ai livelli di energia che esistono all'interno delle stelle.

Negli ultimi cinque decenni, gli scienziati hanno tentato di simulare la velocità di reazione di cattura radiativa, in piccoli ma potenti acceleratori di particelle. Lo fanno facendo scontrare fasci di elio e carbonio nella speranza di fondere i nuclei di entrambi i fasci per produrre ossigeno. Sono stati in grado di misurare tali reazioni e calcolare le velocità di reazione associate. Però, le energie a cui tali acceleratori fanno scontrare le particelle sono molto più alte di quelle che si verificano in una stella, tanto che le stime attuali della velocità di reazione generatrice di ossigeno sono difficili da estrapolare a ciò che effettivamente avviene all'interno delle stelle.

"Questa reazione è piuttosto nota a energie più elevate, ma scende precipitosamente mentre sprofondi in energia, verso l'interessante regione astrofisica, " dice Friščić.

Tempo, in retromarcia

Nel nuovo studio, il team ha deciso di far risorgere una nozione precedente, per produrre l'inverso della reazione generatrice di ossigeno. Lo scopo, essenzialmente, è partire dal gas ossigeno e dividere il suo nucleo nei suoi ingredienti di partenza:una particella alfa e un nucleo di carbonio-12. Il team ha ritenuto che la probabilità che la reazione si verificasse al contrario dovrebbe essere maggiore, e quindi più facilmente misurabile, che la stessa reazione corre in avanti. La reazione inversa dovrebbe essere possibile anche a energie più vicine alla gamma di energia all'interno delle stelle reali.

Per dividere l'ossigeno, avrebbero bisogno di un raggio ad alta intensità, con un'altissima concentrazione di elettroni. (Più elettroni che bombardano una nuvola di atomi di ossigeno, maggiore è la possibilità che un elettrone su miliardi abbia l'energia e la quantità di moto giuste per scontrarsi e dividere un nucleo di ossigeno.)

L'idea è nata con il collega ricercatore del MIT Genya Tsentalovich, che ha condotto un esperimento proposto presso l'anello di immagazzinamento di elettroni del MIT-Bates South Hall nel 2000. Sebbene l'esperimento non sia mai stato condotto all'acceleratore Bates, che ha cessato l'attività nel 2005, Donnelly e Milner hanno ritenuto che l'idea meritasse di essere studiata in dettaglio. Con l'inizio della costruzione di acceleratori lineari di nuova generazione in Germania e alla Cornell University, avendo la capacità di produrre fasci di elettroni di intensità sufficientemente elevata, o corrente, per innescare potenzialmente la reazione inversa, e l'arrivo di Friščić al MIT nel 2016, lo studio ha preso il via.

"La possibilità di questi nuovi, macchine elettroniche ad alta intensità, con decine di milliampere di corrente, risvegliato il nostro interesse per questa idea [reazione inversa], "dice Milner.

Il team ha proposto un esperimento per produrre la reazione inversa sparando un fascio di elettroni a freddo, nube di ossigeno ultradensa. Se un elettrone entra in collisione e divide con successo un atomo di ossigeno, dovrebbe disperdersi con una certa quantità di energia, che i fisici avevano precedentemente previsto. I ricercatori isolerebbero le collisioni che coinvolgono gli elettroni all'interno di questo dato intervallo di energia, e da questi, isolano le particelle alfa prodotte in seguito.

Le particelle alfa vengono prodotte quando gli atomi di O-16 si dividono. La scissione di altri isotopi di ossigeno può anche provocare particelle alfa, ma questi si disperderebbero leggermente più velocemente - circa 10 nanosecondi più velocemente - delle particelle alfa prodotte dalla scissione degli atomi di O-16. Così, il team ha pensato di isolare quelle particelle alfa che erano leggermente più lente, con un "tempo di volo" leggermente più breve.

I ricercatori potrebbero quindi calcolare la velocità della reazione inversa, data la frequenza con cui le particelle alfa più lente e, per procura, avvenne la scissione degli atomi di O-16. Hanno quindi sviluppato un modello per mettere in relazione la reazione inversa alla diretta, reazione diretta della produzione di ossigeno che si verifica naturalmente nelle stelle.

"Stiamo essenzialmente facendo la reazione di inversione del tempo, " dice Milner. "Se lo misuri con la precisione di cui stiamo parlando, dovresti essere in grado di estrarre direttamente la velocità di reazione, da fattori fino a 20 oltre ciò che chiunque ha fatto in questa regione."

Attualmente, un acceleratore lineare multimegawatt, MESA, è in costruzione in Germania. Friščić e Milner stanno collaborando con i fisici per progettare l'esperimento, nella speranza che, una volta installato e funzionante, possono mettere in atto il loro esperimento per definire veramente la velocità con cui le stelle producono ossigeno nell'universo.

"Se abbiamo ragione, e facciamo questa misura, ci permetterà di rispondere a quanto carbonio e ossigeno si formano nelle stelle, che è la più grande incertezza che abbiamo nella nostra comprensione di come si evolvono le stelle, "dice Milner.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.