A dispetto di come siamo soliti raffigurarci il mondo atomico, la struttura interna di nuclei pesanti in cui il numero di neutroni eccede quello dei protoni, come ad esempio il piombo, ci apparirebbe costituita da un agglomerato interno di protoni e neutroni circondato da un “guscio” uniforme composto dai neutroni in eccesso. L’esistenza di questa “pelle” di neutroni è stata recentemente confermata grazie a una misura effettuata dai ricercatori della collaborazione PREX-II, esperimento ospitato al Jefferson Lab, centro di ricerca statunitense dedicato alla fisica delle particelle con sede a Newport News, in Virginia, che vede tra i suoi membri l’INFN. Lo studio ha inoltre dimostrato come, nei nuclei di piombo 208, il più diffuso e stabile isotopo di questo elemento, lo spessore dello strato esterno di neutroni sia superiore rispetto a quanto finora ipotizzato. Pubblicato il 28 aprile sulla rivista Physical Review Letters, il risultato, oltre a fare luce sulla distribuzione dei costituenti subatomici del piombo, da cui dipendono le sue proprietà, ha importanti implicazioni in ambito astrofisico, contribuendo a rendere più accurate le equazioni di stato che descrivono le stelle di neutroni, e migliorando la comprensione dei processi fisici che hanno luogo quando si fondono.
I dati raccolti da PREX-II, che hanno confermato e migliorato l’accuratezza di un risultato ottenuto nel 2012 dal predecessore dell’esperimento, PREX, hanno consentito di misurare, per la prima volta e con estrema precisione, lo spessore della pelle di neutroni, definita dal punto di vista quantitativo come la differenza tra il raggio della distribuzione dei neutroni e il raggio della distribuzione dei protoni. Questa peculiare configurazione dei neutroni negli elementi più pesanti della tavola periodica è il risultato dell’azione delle forze che agiscono all’interno dei nuclei atomici, che tendono, in maniera contrastante, a minimizzare la superficie di questi ultimi (tensione superficiale) e a spingere verso l’esterno i neutroni in eccesso per bilanciare l’energia necessaria a mantenere coesi i nuclei stessi (energia di simmetria). “La pelle di neutroni – spiega Guido Maria Urciuoli, co-portavoce dell’esperimento PREX-II e ricercatore della sezione INFN di Roma – è determinata dall’equilibrio tra la tensione superficiale e la differenza tra i valori dell’energia di simmetria all’interno e alla superficie nel nucleo. Questa differenza è la cosiddetta ‘pressione di simmetria’, parametro indicato con la lettera L, responsabile dello spostamento dei neutroni verso l’esterno del nucleo. A valori elevati di L, corrisponderanno quindi grandi valori della pelle di neutroni.”
Per misurare lo spessore della pelle di neutroni degli atomi del piombo 208, PREX-II ha sfruttato la capacità degli elettroni di interagire con la materia, e con i neutroni in particolare, attraverso l’interazione debole, la stessa forza responsabile dei decadimenti nucleari, in virtù della carica debole di cui sono dotati. Nello specifico, la tecnica utilizzata per determinare la diffusione degli elettroni dopo scontro con i neutroni degli atomi del bersaglio dell’esperimento (un sottile foglio di piombo raffreddato a temperature criogeniche) - sfrutta la proprietà della forza debole di non conservare la parità, il che fa sì che l’interazione di una particella dotata di spin dipenda da come lo stesso spin è orientato rispetto alla direzione del suo moto nello spazio. “La violazione della parità – specifica Urciuoli – fa sì che, al contrario dell’interazione elettromagnetica, l’interazione debole con nuclei di piombo da parte di elettroni con spin allineato in senso contrario alla direzione del movimento sia leggermente più piccola di quella tra nuclei di piombo ed elettroni con spin allineato nella stessa direzione del moto. La differenza delle probabilità di elettroni con spin anti-allineato e allineato di essere diffusi da un nucleo di piombo lasciandolo intatto dipende dalla loro interazione debole con i neutroni e dalla distribuzione di questi ultimi. La misura di questa differenza ha quindi permesso di misurare il raggio dei neutroni nel piombo, valore da cui, grazie alla conoscenza del raggio dei protoni, ottenuto nel passato grazie a esperimenti di scattering elettromagnetico, è stato estrapolato lo spessore della pelle dei neutroni, pari a 0,28 femtometri (un milionesimo di miliardesimo di metro)”.
Il risultato della collaborazione PREX-II è di notevole importanza in quanto fornisce preziose indicazioni per comprendere meglio le caratteristiche delle stelle di neutroni, il raggio delle quali è determinato dallo stesso parametro responsabile della presenza della pelle di neutroni negli atomi del piombo, ovvero la pressione di simmetria, il cui valore è risultato essere superiore alle aspettative. La misura di questa grandezza fisica consentirà inoltre di descrivere con maggiore precisione le deformazioni a cui una stella di neutroni è soggetta per effetto del campo gravitazionale indotto da un’altra stella, nei fenomeni di fusione di questi corpi celesti. “La pelle di neutroni nel piombo – illustra Urciuoli – pone dei limiti precisi sull’intervallo di valori che il raggio e la deformabilità di una stella di neutroni può assumere. Una conseguenza importante della misura di PREX-II è la riduzione dell’intervallo di valori che, in accordo alla misura del raggio della pulsar PSR J0030+0451 effettuata dall’esperimento NICER a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, può assumere il raggio di una stella di neutroni la cui massa è il 40% più grande della massa del sole. Con la riduzione imposta da PREX-II, questo intervallo è ora in contrasto con le osservazioni, realizzate nel 2017, dell’evento di fusione di due stelle di neutroni da parte degli interferometri LIGO e Virgo. Per risolvere queste incongruenze, saranno quindi necessarie nuove rivelazioni di onde gravitazionali emesse da collisioni di stelle di neutroni, nuove osservazioni da parte di NICER e nuove misure dello spessore della pelle di neutroni di nuclei nei laboratori”.
“L’INFN, - conclude Urciuoli - ha collaborato alla progettazione di alcuni degli elementi che compongono gli spettrometri magnetici ad alta risoluzione con cui sono stati rivelati gli elettroni diffusi dai nuclei di piombo e ha partecipato attivamente alla conduzione dell’intero esperimento”. [Matteo Massicci]
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