Una collaborazione internazionale che include scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia (DOE) ha risolto un enigma di 50 anni che spiega perché i decadimenti beta dei nuclei atomici sono più lenti di quanto previsto in base ai decadimenti beta dei neutroni liberi .

Le scoperte, pubblicato in Fisica della natura , colmare una lacuna di vecchia data nella comprensione dei fisici del decadimento beta, un importante processo utilizzato dalle stelle per creare elementi più pesanti, e sottolineare la necessità di includere effetti sottili, o una fisica più realistica, quando si prevedono determinati processi nucleari.

"Per decenni, gli scienziati non hanno una comprensione dei primi principi del decadimento nucleare beta, in cui i protoni si convertono in neutroni, o vice versa, per formare altri elementi, " ha detto lo scienziato dello staff dell'ORNL Gaute Hagen, che ha condotto lo studio. "Il nostro team ha dimostrato che i modelli teorici e il calcolo sono progrediti fino al punto in cui è possibile calcolare alcune proprietà di decadimento con una precisione sufficiente per consentire un confronto diretto per sperimentare".

Per risolvere il problema, il team ha simulato il decadimento dello stagno-100 in indio-100, un elemento vicino della tavola periodica. I due elementi condividono lo stesso numero di nucleoni (protoni e neutroni), con stagno-100 che possiede 50 protoni a indio-100 di 49.

Il calcolo del decadimento beta ha richiesto con precisione al team non solo di simulare accuratamente la struttura dei nuclei madre e figlia, ma anche di tenere conto delle interazioni tra due nucleoni durante la transizione. Questo trattamento aggiuntivo ha presentato una sfida computazionale estrema a causa della combinazione di forti correlazioni nucleari e interazioni che coinvolgono il nucleone in decadimento.

Nel passato, i fisici nucleari hanno aggirato questo problema inserendo una costante fondamentale per riconciliare i tassi di decadimento beta osservati dei neutroni all'interno e all'esterno del nucleo, una pratica nota come "tempra". Ma con macchine come il supercomputer Titan di ORNL, Il team di Hagen ha dimostrato che questa stampella matematica non è più necessaria.

"Nessuno ha davvero capito perché questo fattore di spegnimento ha funzionato. Ha appena fatto, " ha detto lo scienziato computazionale ORNL Gustav Jansen. "Abbiamo scoperto che potrebbe essere ampiamente spiegato includendo due nucleoni nel decadimento, ad esempio, due protoni che decadono in un protone e un neutrone, o un protone e un neutrone che decadono in due neutroni."

Il gruppo, che includeva partner del Lawrence Livermore National Laboratory, Università del Tennessee, Università di Washington, TRIUMF (Canada), e Università Tecnica di Darmstadt (Germania), ha eseguito uno studio completo sui decadimenti beta da nuclei leggeri a nuclei medio-pesanti fino allo stagno-100.

Il risultato dà ai fisici nucleari una maggiore fiducia nella ricerca di risposte ad alcuni dei misteri più sconcertanti relativi alla formazione della materia nell'universo. Al di là del normale decadimento beta, gli scienziati stanno cercando di calcolare il doppio decadimento beta senza neutrini, una forma teorizzata di decadimento nucleare che, se osservato, esplorerebbe una nuova fisica importante e aiuterebbe a determinare la massa del neutrino.

Stagno in dentro

Molti elementi hanno isotopi che decadono per lunghi periodi di tempo. Per esempio, l'emivita del carbonio-14, il nucleo utilizzato nella datazione al carbonio, è 5, 730 anni. Altri nuclei, però, esistono solo per frazioni di secondo prima di espellere le particelle nel tentativo di stabilizzarsi.

Nel decadimento beta dei neutroni, vengono emessi un elettrone e un antineutrino. Quando lo stagno-100 si trasforma in indio-100, il nucleo subisce un decadimento beta più, espellendo un positrone e un neutrino quando si converte un protone in un neutrone.

Con il suo uguale numero di protoni e neutroni, tin-100 mostra un tasso insolitamente alto di decadimento beta, dando alla squadra dell'ORNL un segnale forte da cui verificarne i risultati. Per di più, il nucleo di stagno-100 è "doppiamente magico, " il che significa che i nucleoni riempiono gusci definiti all'interno del nucleo che lo rendono fortemente legato e relativamente semplice nella struttura. Il codice NUCCOR del team ORNL, che è programmato per risolvere il problema nucleare a molti corpi, eccelle nel descrivere nuclei doppiamente magici su e giù per la carta nucleare.

"Un nucleo doppiamente magico come lo stagno-100 non è complicato come molti altri nuclei, " disse Thomas Papenbrock, un ricercatore presso l'Università del Tennessee e ORNL. "Ciò significa che possiamo calcolarlo in modo affidabile utilizzando il nostro metodo cluster accoppiato, che calcola le proprietà dei grandi nuclei tenendo conto delle forze tra i singoli nucleoni."

Per modellare il decadimento beta, però, il team ha dovuto anche calcolare la struttura dell'indio-100, un nucleo più complesso del doppiamente magico stagno-100. Ciò ha richiesto un trattamento più preciso delle forti correlazioni tra i nucleoni. Prendendo in prestito idee dalla chimica quantistica, che tratta gli elettroni come onde, Il team di Hagen ha sviluppato con successo tecniche per modellare questi processi.

"Nel nostro caso si tratta di nucleoni invece che di elettroni, ma i concetti della chimica quantistica ci hanno aiutato a diramarci da nuclei doppiamente magici e ad espanderci in queste regioni a guscio aperto, ", ha detto il fisico dell'ORNL Titus Morris.

Esperimento guida

Ora che il team di Hagen ha dimostrato che la sua comprensione del decadimento beta è alla pari con l'esperimento, sta cercando di sfruttare i nuovi supercomputer come il Summit di ORNL, il più potente del mondo, per guidare gli esperimenti attuali e futuri.

I ricercatori stanno attualmente utilizzando Summit per simulare come calcio-48, un altro nucleo doppiamente magico, subirebbe un doppio decadimento beta senza neutrini, un processo in cui due neutroni beta decadono in protoni, ma senza emettere neutrini. I risultati potrebbero aiutare gli sperimentatori nella selezione di un materiale rivelatore ottimale per la potenziale scoperta di questo raro fenomeno.

"Attualmente, calcoli che utilizzano diversi modelli nucleari di doppio decadimento beta senza neutrini possono differire fino a un fattore di sei, " Hagen ha detto. "Il nostro obiettivo è fornire un punto di riferimento per altri modelli e teorie".