Laboratori Nazionali del Sud

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Ricerca

Fisica Nucleare

La ricerca in fisica nucleare si propone di esplorare le proprietà della materia sub-atomica e in particolare di studiare la proprietà dei nuclei, il core degli atomi ove è racchiuso circa il 99% della massa dell’Universo visibile. I nuclei sono oggetti molto complessi costituiti da protoni e neutroni, i costituenti fondamentali di tutta la materia che ci circonda, che interagiscono tra loro mediante le forze nucleari la cui natura e le cui caratteristiche non sono conosciute in dettaglio. Esse rappresentano l’argomento fondamentale della ricerca in fisica nucleare.

Per studiare la proprietà di questo mondo microscopico i fisici hanno sviluppato gli acceleratori di particelle che consentono, attraverso la collisione tra i nuclei accelerati del fascio e quelli del bersaglio di “vedere” i nuclei e studiarne le proprietà.

I Laboratori Nazionali del Sud sono dotati di due acceleratori di particelle, il TANDEM e il Ciclotrone Superconduttore che vengono utilizzati per accelerare ioni con massa compresa tra il protone e il piombo e cercare di trovare risposta ad alcune delle domande fondamentali della fisica nucleare moderna tra cui:

  • Come sono sintetizzati gli elementi nelle stelle ?
  • Come si organizza la materia alla scala sub-atomica e quali fenomeno sorgono ?
  • Quali combinazioni di protoni e neutroni danno vita ad un sistema legato e perchè ?
  • Quale è la massima energia termica che un nucleo può sostenere prima di frammentarsi ?

Le attività di ricerca sono svolte dai vari gruppi sperimentali dei LNS adoperando degli apparati sperimentali ideati e realizzati per lo studio di tematiche specifiche della fisica nucleare. Gli argomenti delle ricerche effettuate presso i LNS riguardano l’astrofisica nucleare, la struttura nucleare e i meccanismi di reazione, la transizione di fase della materia nucleare, i quark e la dinamica degli adroni.

L’astrofisica nucleare è l’argomento di ricerca dei gruppi ASFIN2 e n_TOF.

I ricercatori del gruppo ASFIN2 si occupano dello studio delle sezioni d’urto di reazione dei processi che influenzano l’evoluzione stellare e sono fondamentali per la nucleo-sintesi primordiale. A tale scopo utilizzano reazioni a bassa energia (adoperando tipicamente fasci del TANDEM) e nuove tecniche che utilizzano i laser di alta potenza per produrre plasmi per simulare le condizioni a cui avvengono le reazioni in contesti astrofisici. La ricerca viene effettuata adoperando i cosiddetti “metodi indiretti” tra cui il più utilizzato è il Trojan Horse.  

L’attività sperimentale della sigla N_TOF si svolge al CERN ed utilizza fasci di neutroni di alta intensità (fino a 106 neutroni/cm2 per impulso) ed energie comprese tra i 25 meV ed 1 GeV che permettono la misura di  sezioni d’urto, anche molto basse, dei processi di interazione dei neutroni con la materia e lo studio delle relative implicazioni nella sintesi degli elementi leggeri a seguito del Big Bang. Inoltre i fasci di neutroni vengono utilizzati nello studio della fissione dell’Uranio per la sua importanza nelle applicazioni.

La struttura nucleare e i meccanismi di reazione sono gli argomenti di ricerca dei gruppi NUMEN e LNS-STREAM2 

L’attività di NUMEN è incentrata sullo studio delle reazioni di doppio scambio di carica effettuato prevalentemente mediante lo spettrometro MAGNEX. L’intento principale degli studi consiste nella misura degli elementi di matrice nucleare di interesse per il decadimento doppio beta senza emissione di neutrini, un decadimento estremamente raro la cui osservazione permetterebbe di identificare il neutrino come una particella di Majorana, ovvero come una particella che coincide con la sua antiparticella, l’antineutrino.     NUMEN si propone inoltre di identificare i migliori nuclei candidati per gli esperimenti di decadimento doppio beta senza emissione di neutrini.

Le ricerche del gruppo LNS-STREAM2 si articolano su due argomenti principali: (A) lo studio, a bassa energia, degli effetti di struttura nucleare nei nuclei leggeri (come la presenza di cluster di nucleoni o l’alone di neutroni) sulla dinamica della reazione adoperando il rivelatore CLAD; (B) lo studio dell’evoluzione delle proprietà dei moti collettivi, come la Risonanza Gigante Dipolare o il Dipolo dinamico, in funzione dell’energia termica del sistema adoperando il rivelatore MEDEA assieme al solenoide SOLE ed il rivelatore MACISTE.

 

Lo studio della transizione di fase della materia nucleare è uno dei principali temi di ricerca dell’esperimento NEWCHIM

NEWCHIM adopera l’alta granularità del rivelatore CHIMERA e le sue capacità nell’identificare I prodotti di reazione in massa e carica per studiare gli effetti dell’isospin (grandezza associata al rapporto tra il numero di neutroni e protoni nel nucleo) sul meccanismo di reazione e la dipendenza dalla densità del termine di simmetria dell’equazione di stato della materia nucleare.  Altri argomenti di ricerca riguardano lo studio della struttura a cluster nei nuclei esotici e quello delle “pigmy resonances”, manifestazioni di un particolare moto collettivo nucleare, che vengono effettuati adoperando i fasci esotici prodotti per frammentazione (FRIBS), presso i  LNS.

Lo studio della dinamica e della struttura a quark dei costituenti dei nuclei rappresenta l’obiettivo di ricerca dell’esperimento JLAB12

LAB12 e' un esperimento che utilizza un fascio di elettroni di alta energia (circa 10 GeV) prodotto dall’acceleratore dei  Jefferson Laboratory in Virginia (USA) per studiare la dinamica e la struttura interna dei nucleoni e dei nuclei mediante la diffusione di elettroni. Altri argomenti di ricerca riguardano lo studio della fisica oltre il modello standard e la materia oscura di cui conosciamo ben poco. Le attività dei LNS, effettuate da un gruppo di ricerca di Sassari, si concentrano sull’esperimento HPS che si propone di trovare la tracce del cosiddetto “fotone oscuro” o “ fotone pesante”, un fotone dotato di massa la cui rivelazione sarebbe un primo segno dell’esistenza di un mondo nascosto e sull’esperimento BDX che si propone di produrre e rivelare la materia oscura attraverso la sua debole interazione con i nuclei e gli elettroni di un rivelatore.

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