Gli scienziati dell'IFJ PAN insieme ai colleghi dell'Università di Milano (Italia) e di altri paesi hanno confermato la necessità di includere le interazioni a tre nucleoni nella descrizione delle transizioni elettromagnetiche nel ²⁰ O nucleo atomico. Fondamentale per convalidare i moderni calcoli teorici della struttura nucleare è stata l'applicazione di sistemi di rivelatori di raggi gamma all'avanguardia e la tecnica di nuova concezione per le misurazioni della durata dei femtosecondi in nuclei esotici prodotti in reazioni anelastiche profonde con ioni pesanti.

I nuclei atomici sono costituiti da nucleoni:protoni e neutroni. Protoni e neutroni sono sistemi di quark e gluoni tenuti insieme da forti interazioni nucleari. La fisica dei quark e dei gluoni è descritta dalla cromodinamica quantistica (QCD), quindi potremmo aspettarci che anche le proprietà delle forze nucleari derivino da questa teoria. Sfortunatamente, nonostante i tanti tentativi, determinare le caratteristiche delle interazioni forti basate sulla QCD incontra enormi difficoltà computazionali. Però, si sa relativamente molto sulle proprietà delle forze nucleari:questa conoscenza si basa su molti anni di sperimentazione. Sono stati inoltre sviluppati modelli teorici in grado di riprodurre le proprietà di base delle forze che agiscono tra una coppia di nucleoni:utilizzano i cosiddetti potenziali effettivi di interazione nucleone-nucleone.

Conoscendo i dettagli dell'interazione tra due nucleoni, ci aspetteremmo che la descrizione della struttura di qualsiasi nucleo atomico non sia un problema. Sorprendentemente, si scopre che quando un terzo nucleone viene aggiunto al sistema a due nucleoni, l'attrazione tra i due nucleoni iniziali aumenta. Quello che segue, la forza dell'interazione tra i componenti di ciascuna coppia di nucleoni nel sistema a tre corpi aumenta:si manifesta una forza aggiuntiva che sembra non esistere nel caso di una coppia isolata. Questo sconcertante contributo è chiamato forza irriducibile a tre nuclei.

Questa situazione si è rivelata fonte di ispirazione per gli scienziati dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze e per i loro colleghi dell'Università di Milano. Si sono resi conto che un test perfetto per la presenza di interazioni di tre nucleoni nei nuclei potrebbe consistere nel determinare la vita di stati eccitati selezionati in ossigeno ricco di neutroni e isotopi di carbonio. A seguito di analisi approfondite, è nato il concetto di esperimento, i cui coordinatori sono stati la Prof.ssa Silvia Leoni dell'Università degli Studi di Milano e il Dott. Michal Ciemala e il Prof. Bogdan Fornal dell'IFJ PAN. Anche i ricercatori che lavorano presso il laboratorio francese GANIL di Caen e altri istituti di ricerca di tutto il mondo sono stati invitati a collaborare a questo progetto.

"L'esperimento si è concentrato sulla determinazione della durata degli stati nucleari eccitati per gli isotopi di carbonio e ossigeno ricchi di neutroni, ¹⁶ C e ²⁰ Oh, “ spiega il prof. Fornal. “In questi nuclei, compaiono gli stati eccitati, che sembrano essere particolarmente sensibili all'inclusione nei calcoli dell'interazione a tre corpi (nucleone-nucleone-nucleone-NNN) oltre all'interazione nucleare a due corpi (nucleone-nucleone-NN). Nel caso di ²⁰ Oh nucleo, la durata del secondo stato eccitato 2+, calcolato solo per l'interazione NN, dovrebbe essere 320 femtosecondi, tenendo conto delle interazioni NN e NNN, i calcoli danno il risultato di 200 femtosecondi. Per la durata del secondo stato 2+ in ¹⁶ C, la differenza è ancora maggiore:370 femtosecondi (NN) contro 80 femtosecondi (NN + NNN)."

L'esperimento dedicato alla misurazione dei tempi di vita è stato effettuato presso il centro di ricerca GANIL di Caen, Francia. Gli scienziati hanno utilizzato rilevatori di radiazioni gamma (AGATA e PARIS) collegati a uno spettrometro magnetico (VAMOS). La reazione di un fascio di 18O con un bersaglio di 181Ta ha generato nuclei atomici eccitati di elementi come B, C, N, O e F come risultato di scattering anelastico profondo o processi di trasferimento di nucleoni. Nei nuclei in movimento indagati, gli stati quantistici eccitati decaduti dall'emissione di fotoni ad alta energia, la cui energia è stata spostata rispetto all'energia delle transizioni nel frame di riposo. Questo spostamento dipende dalla velocità del nucleo che emette fotoni e dall'angolo di emissione. Questo fenomeno è descritto dalla formula Doppler relativistica.

Per tempi di vita a livello nucleare inferiori al tempo di volo del nucleo eccitato attraverso il bersaglio (circa 300 femtosecondi), l'emissione gamma quantistica avviene principalmente quando il nucleo è ancora nel bersaglio. Nel caso descritto gli scienziati hanno misurato la velocità del nucleo dopo il suo passaggio attraverso il bersaglio. Usando questa velocità per correggere lo spettro dell'energia della radiazione gamma, le righe spettrali ottenute hanno la forma corrispondente alla distribuzione gaussiana per i casi in cui la vita dello stato eccitato è lunga. Per tempi di vita da 100 a 200 femtosecondi le righe spettrali mostrano una componente asimmetrica e per tempi di vita inferiori a 100 femtosecondi sono completamente spostate a energie più piccole.

"Per determinare la vita, abbiamo condotto simulazioni e confrontato i loro risultati con lo spettro misurato dell'energia della radiazione gamma, "dice il dottor Ciemala, l'autore del concetto di misurazione del tempo di decadimento dello stato nucleare utilizzato nell'esperimento. "In questi studi, il metodo sopra descritto è stato applicato per la prima volta per determinare il tempo di vita degli stati eccitati nei nuclei prodotti in reazioni anelastiche profonde. Richiedeva lo sviluppo di codici di simulazione Monte Carlo avanzati che includessero la cinematica di reazione e riproducessero le distribuzioni di velocità misurate dei prodotti di reazione. Il metodo utilizzato, in combinazione con i sistemi di rilevamento applicati, portato a risultati molto soddisfacenti».

La ricerca descritta per la prima volta ha permesso agli scienziati di misurare la durata di decine e centinaia di femtosecondi di uno stato nucleare creato in una reazione anelastica profonda:nel caso descritto era il secondo stato 2+ nella ²⁰ O nucleo per il quale è stata ottenuta la durata di 150 femtosecondi. La validità del nuovo metodo è stata dimostrata determinando i tempi di vita per gli stati eccitati nel ¹⁹ O nucleo perfettamente in accordo con i dati di letteratura. Va sottolineato che la durata del secondo stato 2+ in ²⁰ Oh, ottenuto in questo lavoro, concorda con le previsioni teoriche solo se si considerano contemporaneamente le interazioni a due e tre corpi. Ciò porta alla conclusione che le grandezze di misura fornite dalle transizioni elettromagnetiche e ottenute utilizzando una precisa spettroscopia gamma possono essere ottime sonde per valutare la qualità dei calcoli ab initio della struttura nucleare.

"Questa procedura pionieristica sviluppata ci aiuterà a misurare la durata degli stati eccitati per nuclei molto esotici lontani dalla valle di stabilità, che può essere creato in reazioni anelastiche profonde utilizzando fasci radioattivi ad alta intensità, che sarà presto disponibile, Per esempio, presso i Laboratori Nazionali di Legnaro dell'INFN vicino a Padova in Italia, " sostiene il Prof. Fornal. "Le informazioni ottenute saranno essenziali per l'astrofisica nucleare e certamente contribuiranno ai progressi nella comprensione della formazione dei nuclei atomici nel processo di cattura rapida dei neutroni nelle esplosioni di supernova o nella fusione di stelle di neutroni che è stato recentemente osservato misurando le onde gravitazionali in coincidenza con la radiazione gamma."