Una scoperta di un team di ricercatori guidati dai fisici nucleari di UMass Lowell potrebbe cambiare il modo in cui gli atomi vengono compresi dagli scienziati e aiutare a spiegare i fenomeni estremi nello spazio.

La svolta dei ricercatori ha rivelato che una simmetria che esiste all'interno del nucleo dell'atomo non è così fondamentale come credevano gli scienziati. La scoperta fa luce sulle forze in atto all'interno del nucleo degli atomi, aprendo la porta a una maggiore comprensione dell'universo. I risultati sono stati pubblicati oggi in Natura , una delle riviste scientifiche più importanti al mondo.

La scoperta è stata fatta quando il team guidato da UMass Lowell stava lavorando per determinare come vengono creati i nuclei atomici nei lampi di raggi X, esplosioni che si verificano sulla superficie delle stelle di neutroni, che sono i resti di stelle massicce alla fine della loro vita.

"Stiamo studiando cosa succede all'interno dei nuclei di questi atomi per comprendere meglio questi fenomeni cosmici e, in definitiva, per rispondere a una delle più grandi domande della scienza:come vengono creati gli elementi chimici nell'universo, " ha detto Andrew Rogers, UMass Lowell assistente professore di fisica, che guida il gruppo di ricerca.

La ricerca è supportata da una sovvenzione del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti a UMass Lowell ed è stata condotta presso il National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) della Michigan State University. Al laboratorio, gli scienziati creano nuclei atomici esotici per misurare le loro proprietà al fine di comprendere il loro ruolo come elementi costitutivi della materia, del cosmo e della vita stessa.

Gli atomi sono alcune delle unità più piccole della materia. Ogni atomo include elettroni che orbitano attorno a un minuscolo nucleo nel profondo del suo nucleo, che contiene quasi tutta la sua massa ed energia. I nuclei atomici sono composti da due particelle quasi identiche:protoni carichi e neutroni non carichi. Il numero di protoni in un nucleo determina a quale elemento appartiene l'atomo sulla tavola periodica e quindi la sua chimica. Gli isotopi di un elemento hanno lo stesso numero di protoni ma un diverso numero di neutroni.

Al NSC, i nuclei sono stati accelerati quasi alla velocità della luce e frantumati in frammenti creando stronzio-73, un isotopo raro che non si trova naturalmente sulla Terra ma può esistere per brevi periodi di tempo durante violenti lampi di raggi X termonucleari sulla superficie delle stelle di neutroni . Questo isotopo dello stronzio contiene 38 protoni e 35 neutroni e vive solo per una frazione di secondo.

Lavorando 24 ore su 24 per otto giorni, il team ha creato più di 400 nuclei di stronzio-73 e li ha confrontati con le proprietà note del bromo-73, un isotopo che contiene 35 protoni e 38 neutroni. Con il numero scambiato di protoni e neutroni, i nuclei di bromo-73 sono considerati "partner specchio" dei nuclei di stronzio-73. La simmetria speculare nei nuclei esiste a causa delle somiglianze tra protoni e neutroni ed è alla base della comprensione della fisica nucleare da parte degli scienziati.

All'incirca ogni mezz'ora, i ricercatori hanno creato un nucleo di stronzio-73, lo hanno trasportato attraverso il separatore di isotopi del NSCL e poi hanno portato il nucleo a fermarsi al centro di un complesso array di rivelatori dove potevano osservarne il comportamento. Studiando il decadimento radioattivo di questi nuclei, gli scienziati hanno scoperto che lo stronzio-73 si comportava in modo completamente diverso dal bromo-73. La scoperta solleva nuove domande sulle forze nucleari, secondo Rogers.

"Lo stronzio-73 e il bromo-73 dovrebbero apparire identici nella struttura, ma sorprendentemente no, abbiamo trovato. Sondare le simmetrie che esistono in natura è uno strumento molto potente per i fisici. Quando le simmetrie si rompono, che ci dice che qualcosa non va nella nostra comprensione, e dobbiamo dare un'occhiata più da vicino, " ha detto Rogers.

Ciò che gli scienziati hanno visto sfiderà la teoria nucleare, secondo Daniel Hoff, un ricercatore associato di UMass Lowell che è stato l'autore principale dell'articolo pubblicato su Natura .

"Confrontare i nuclei di stronzio-73 e di bromo-73 è stato come guardarsi allo specchio e non riconoscersi. Una volta che ci siamo convinti che ciò che stavamo vedendo era reale, eravamo molto emozionati, " ha detto Hoff.

Insieme a Rogers, un residente di Somerville, e Hoff di Medford, il team di UMass Lowell comprendeva i membri della facoltà del Dipartimento di Fisica Assistente Prof. Peter Bender, Prof. emerito C.J. Lister ed ex ricercatore associato di UMass Lowell Chris Morse. Studenti laureati in fisica Emery Doucet of Mason, N.H., e anche Sanjanee Waniganeththi di Lowell hanno contribuito al progetto.

Come parte dello studio del team, calcoli teorici all'avanguardia sono stati eseguiti da Simin Wang, un ricercatore associato presso lo Stato del Michigan, e diretto da Witold Nazarewicz, John A. Hannah Distinguished Professor di fisica della MSU e capo scienziato presso la Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), che aprirà il prossimo anno.

Il lavoro dei ricercatori "offre spunti unici sulla struttura di isotopi rari, " Nazarewicz ha detto. "Ma molto resta ancora da fare. Nuove strutture in arrivo, come FRIB a MSU, fornirà gli indizi mancanti per una comprensione più profonda del puzzle della simmetria dello specchio. Sono contento che le travi esotiche consegnate dalla nostra struttura, strumentazione unica e calcoli teorici potrebbero contribuire a questo magnifico lavoro."

Sono già in corso piani per ulteriori esperimenti, mentre i ricercatori cercano di perfezionare e confermare le loro osservazioni e di studiare ulteriormente questi isotopi.