Fisica Nucleare Sperimentale

Nel cuore di tutti gli atomi che costituiscono il nostro universo, si trova il nucleo atomico: sistema formato da protoni e neutroni che interagiscono con forze nucleari, elettromagnetiche e deboli.

La massa del nucleo atomico, nonostante la dimensione del suo raggio sia quattro ordini di grandezza più piccola della dimensione del raggio dell’atomo, è responsabile di circa il 99% della massa dell’atomo e di tutta la massa visibile nell’universo. La comprensione delle proprietà del nucleo, quali la struttura, i modi di eccitazione e di decadimento nonché la dinamica con cui interagisce con gli altri nuclei, rappresenta l’obiettivo principale della fisica nucleare sperimentale. La sonda per questi studi è costituita dai prodotti delle reazioni nucleari, che vengono indotte da fasci di nuclei accelerati su nuclei bersaglio, in diversi laboratori nel mondo. I ricercatori della Fisica Nucleare Sperimentale di Napoli affrontano questi studi con esperimenti presso i Laboratori Nazionali di Legnaro (Padova) e del Sud (Catania) e presso laboratori stranieri in Europa, negli USA ed in Giappone, nell’ambito di collaborazioni internazionali.

La sfida della fisica nucleare sperimentale nei prossimi anni è costituita dallo studio dei nuclei esotici (radioattivi), nuclei instabili che decadono prevalentemente per emissione di particelle beta. La loro produzione e investigazione con l’uso degli acceleratori è di grande interesse. Sono in fase di realizzazione in Europa e nel mondo dei laboratori (acceleratori) di seconda generazione, che permetteranno di studiare le proprietà dei nuclei esotici e di chiarire aspetti fondamentali della fisica nucleare come ad esempio i limiti di esistenza dei nuclei e la dipendenza della forza nucleare dal rapporto di neutroni e protoni. Parte della ricerca del gruppo di ricercatori di Napoli è attualmente orientata verso questa fisica di frontiera.

I programmi di ricerca della fisica nucleare sperimentale sono finanziati dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e si articolano su tre linee principali: Prova_Guppo III

  • Studio dei nuclei esotici: Dei nuclei noti (circa 3000), solo una piccola parte (287) corrisponde a nuclei stabili primordiali esistenti in natura, il resto corrisponde a nuclei esotici. Gli attuali modelli nucleari prevedono l’esistenza di circa 6000 specie nucleari. I nuclei esotici hanno una bassa energia di legame che gli conferisce delle proprietà del tutto nuove rispetto ai nuclei stabili (dimensione anomala, pelle di neutroni, alone, numeri magici nuovi). Inoltre, i principali processi per la produzione di elementi chimici pesanti nelle stelle avviene con nuclei radioattivi in ambienti astrofisici esplosivi (alte temperature e alte densità), quindi la formazione degli elementi chimici e la loro abondanza sono determinate essenzialmente dalle proprietà dei nuclei esotici. In varie nazioni del mondo sono stati costruiti laboratori di grandi dimensioni, al fine di studiare regioni sempre più esotiche della carta dei nuclei, ai limiti della stabilità nucleare. I ricercatori di Napoli collaborano al progetto di una nuova struttura (SPES) per la produzione di ioni radioattivi di seconda generazione, che permetterà di investigare zone della carta dei nuclei al momento inaccessibili (terra incognita). SPES (http://www.lnl.infn.it/~spes/) è in fase di costruzione presso i Laboratori Nazionali di Legnaro e fornirà fasci di alta intensità di nuclei radioattivi ricchi di neutroni con masse 80<A<130. Questi fasci daranno la possibilità di studiare l’evoluzione stellare e l’abbondanza degli elementi nell’universo, nonché il comportamento della materia nucleare con rapporto di neutroni su protoni molto elevato. Coordinatore dello Steering Committee del progetto SPES è G. La Rana. Nell’ambito dell’esperimento EXOTIC (sito), i ricercatori di Napoli hanno sviluppato, in collaborazione con ricercatori di Padova e di Milano, una struttura presso i Laboratori Nazionali di Legnaro che produce in volo fasci di nuclei radioattivi leggeri con ottime caratteristiche, mediante  reazioni in cinematica inversa indotte dai fasci dell’acceleratore Tandem-XTU su bersagli gassosi. Nell’ambito di questo esperimento si studia la struttura dei nuclei radioattivi prodotti, la loro dinamica in reazioni nucleari con diversi nuclei bersaglio e si realizzano misure che permettono la comprensione di processi astrofisici esplosivi nei quali questi nuclei sono coinvolti. Una seconda linea di ricerca dell’esperimento EXOTIC è lo studio dei moti collettivi del nucleo atomico. Il comportamento collettivo è una proprietà generale di sistemi con molti gradi di libertà. Il nucleo atomico illustra molto bene il paradosso di questi sistemi che sono capaci di auto-organizzarsi in moti semplici collettivi nonostante la loro complessità intrinseca li assocerebbe ad un comportamento caotico e disordinato. Partecipano all’esperimento M. La Commara e D. Pierroutsakou (responsabile nazionale).
  • Studio della fissione dei nuclei atomici e della formazione degli elementi super-pesanti: (esperimento NUCL-EX.SPERIM http://www.bo.infn.it/nucl-ex/)
    Nell’ambito di questa linea di ricerca, i fisici realizzano esperimenti presso i Laboratori Nazionali di Legnaro con l’apparato 8pLP, adatto alla rivelazione di particelle cariche e frammenti pesanti. L’obiettivo è di studiare proprietà della materia nucleare e del processo di fissione ancora sconosciute quali la natura della viscosità della materia nucleare e la sua dipendenza dalla forma e dalla temperatura nucleare. Il gruppo è inoltre impegnato in esperimenti mirati alla scoperta di nuove strade per la sintesi di elementi super-pesanti (Z > 110, N>170), situati nella parte superiore della carta dei nuclidi, una zona inesplorata ed impossibile da raggiungere con metodi convenzionali di fusione nucleare. Si potranno cosi esplorare concetti come “numeri magici” e “isola di stabilità” che contribuiranno a spiegare perché alcuni nuclei sono più stabili di altri. Inoltre questi studi daranno la possibilità di verificare quegli stessi modelli della struttura dei nuclei atomici che prevedono l’esistenza dei nuclei super-pesanti. Partecipano all’esperimento A. Brondi, A. Di Nitto, G. La Rana, R. Moro e E. Vardaci (responsabile).

Studio della frammentazione dei nuclei atomici (stabili e radioattivi) (esperimenti NUCL-EX.FAZIA http://www.bo.infn.it/nucl-ex/ e EXOCHIM https://192.84.151.50/joomla/)
Facendo uso di apparati di rivelazione di particelle cariche di elevata copertura angolare e di elevata granularità (rivelatore INDRA in Francia, CHIMERA presso i Laboratori Nazionali del Sud, il nuovo rivelatore FAZIA che si sta costruendo nell’ambito di una collaborazione internazionale), i ricercatori di Napoli realizzano esperimenti di collisione di nuclei stabili e radioattivi su nuclei bersaglio di diverse masse per studiare la dinamica e la termodinamica della materia nucleare ad energie incidenti intorno all’energia di Fermi, l’equazione di stato della materia nucleare a densità superiori alla densità di saturazione, la transizione di fase di primo ordine della materia nucleare, il ruolo dell’isospin e la funzione di correlazione a molte particelle. Partecipano all’esperimento A. D’Onofrio, M. La Commara, I. Lombardo, A. Ordine, G. Spadaccini, E. Rosato, (responsabile locale NUCL-EX.FAZIA e responsabile locale EXOCHIM) e M. Vigilante.