Come funzionano gli elementi chimici, gli elementi costitutivi del nostro universo, farsi costruire? Questa domanda è stata al centro della fisica nucleare per la parte migliore di un secolo.

All'inizio del XX secolo, gli scienziati hanno scoperto che gli elementi hanno un nucleo centrale o nucleo. Questi nuclei sono costituiti da vari numeri di protoni e neutroni.

Ora, gli scienziati della Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) della Michigan State University hanno costruito e testato un dispositivo che consentirà approfondimenti fondamentali su elementi pesanti, o elementi con un numero molto elevato di protoni e neutroni. Ben Kay, fisico presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), guidato questo sforzo. FRIB è una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

Kay e il suo team hanno completato il loro primo esperimento utilizzando il dispositivo, chiamato SOLARIS, che sta per Solenoid Spectrometer Apparatus for Reaction Studies. Gli esperimenti pianificati riveleranno informazioni sulle reazioni nucleari che creano alcuni degli elementi più pesanti nel nostro mondo, che vanno dal ferro all'uranio.

Sono previsti anche esperimenti con isotopi esotici. Gli isotopi sono elementi che condividono lo stesso numero di protoni ma hanno un diverso numero di neutroni. Gli scienziati si riferiscono a determinati isotopi come esotici perché i loro rapporti tra protoni e neutroni differiscono da quelli degli isotopi tipicamente stabili o di lunga durata che si trovano naturalmente sulla Terra. Alcuni di questi isotopi instabili svolgono un ruolo essenziale negli eventi astronomici.

"Stelle che esplodono, la fusione di stelle giganti collassate, ora stiamo imparando dettagli sulle reazioni nucleari al centro di questi eventi, " disse Kay. "Con SOLARIS, siamo in grado di ricreare quelle reazioni qui, sulla terra, per vederli di persona".

Il nuovo dispositivo segue le orme di HELIOS, lo spettrometro ad orbita elicoidale, ad Argonne. Entrambi usano magneti superconduttori riproposti in modo simile da una macchina per la risonanza magnetica (MRI) come quella trovata negli ospedali. In entrambe, un fascio di particelle viene sparato su un materiale bersaglio all'interno di una camera a vuoto. Quando le particelle si scontrano con il bersaglio, avvengono reazioni di trasferimento. In tali reazioni, neutroni o protoni vengono rimossi o aggiunti dai nuclei, a seconda delle particelle, e le loro energie, utilizzato nella collisione.

"Registrando l'energia e l'angolo delle varie particelle che vengono rilasciate o deviate dalle collisioni, siamo in grado di raccogliere informazioni sulla struttura dei nuclei in questi isotopi, " ha detto Kay. "L'innovativo design SOLARIS fornisce la risoluzione necessaria per migliorare la nostra comprensione di questi nuclei esotici".

Ciò che rende SOLARIS davvero unico è che può funzionare come spettrometro a doppia modalità, il che significa che può effettuare misurazioni con fasci ad alta o bassissima intensità. "SOLARIS può funzionare in queste due modalità, " ha spiegato Kay. "Uno usa un array di rivelatori di silicio tradizionale nel vuoto. L'altro utilizza il nuovo bersaglio pieno di gas della camera di proiezione temporale del bersaglio attivo nello stato del Michigan, guidato dal membro del team SOLARIS e dal fisico senior del FRIB Daniel Bazin. Questo primo esperimento ha testato l'AT-TPC." L'AT-TPC consente agli scienziati di utilizzare fasci più deboli e di raccogliere comunque i risultati con l'elevata precisione necessaria.

L'AT-TPC è essenzialmente una grande camera riempita con un gas che funge sia da bersaglio per il raggio che da mezzo rivelatore. Ciò differisce dalla tradizionale camera a vuoto che utilizza un array di rivelatori al silicio e un separato, magro, obiettivo solido.

"Riempendo la camera di gas, stai assicurando che meno, le particelle più grandi del raggio a bassa intensità entreranno in contatto con il materiale bersaglio, " disse Kay. In questo modo, gli scienziati possono quindi studiare i prodotti di quelle collisioni.

Il primo esperimento del team, guidato dalla ricercatrice Clementine Santamaria del FRIB, ha esaminato il decadimento dell'ossigeno-16 (l'isotopo più comune dell'ossigeno sul nostro pianeta) in particelle alfa molto più piccole. In particolare, gli otto protoni e gli otto neutroni nei nuclei di ossigeno-16 si scindono in un totale di quattro particelle alfa, ciascuno costituito da due protoni e due neutroni.

"Determinando come l'ossigeno-16 decade in questo modo, si possono fare paragoni con quello dello 'stato di Hoyle, ' uno stato eccitato di un isotopo di carbonio che riteniamo svolga un ruolo chiave nella produzione di carbonio nelle stelle, " ha spiegato Kay.

Kay e il suo team hanno registrato oltre due milioni di eventi di reazione durante questo esperimento e hanno osservato diversi casi di decadimento dell'ossigeno-16 in particelle alfa.

La doppia funzionalità di SOLARIS consentirà una gamma ancora più ampia di esperimenti di reazione nucleare rispetto a prima, e fornire agli scienziati nuove intuizioni su alcuni dei più grandi misteri del cosmo.