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.

Il ruolo della fisica nucleare crescerà nei prossimi anni grazie agli upgrade in fase di realizzazione, che prevedono l’aumento delle intensità estratte dal ciclotrone superconduttore e l’installazione di un nuovo separatore magnetico per la produzione di nuclei radioattivi.

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

LAB12 è 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.

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

CHIRONE 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 “pygmy resonances”, manifestazioni di un particolare moto collettivo nucleare, che vengono effettuati adoperando i fasci esotici prodotti per frammentazione (FRIBS, e nel prossimo futuro, FRAISE), presso i LNS.

Dalla fisica nucleare alla fisica delle particelle: l’esperimento NUMEN

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.

L’astrofisica nucleare con metodi indiretti: l’esperimento ASFIN2

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. Inoltre, ASFIN2 si occupa dello studio degli effetti della struttura nucleare sull’astrofisica. A questo scopo si utilizzano tecniche sperimentali (come la diffusione risonante) e rivelatori innovativi (ad esempio il solenoide superconduttore SOLE) per investigare strutture a cluster di nucleoni o la presenza di aloni di neutroni nei nuclei leggeri, così come i moti collettivi nucleari, come la risonanza gigante di dipolo o il dipolo dinamico.

Tra astrofisica nucleare e fisica applicata: l’esperimento n_TOF

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.

PANDORA: un nuovo esperimento per studiare i decadimenti β in plasmi magnetizzati

L’esperimento PANDORA è basato su una trappola magnetica in grado di confinare plasmi ad alta temperatura (fino a 10⁸ K) e densità dell’ordine di 10¹³ cm^-3, contenenti isotopi radioattivi multi-ionizzati al fine di studiarne il decadimento β in condizioni astrofisiche (ad esempio, per gli elementi coinvolti nel processo “s” di nucleosintesi stellare). Tale variazione, predetta teoricamente (bound-state β decay) e preliminarmente osservata in un ristretto numero di isotopi in condizioni di massima ionizzazione (in un esperimento allo Storage Ring del GSI, effettuato sul ¹⁸⁷Re totalmente ionizzato, la vita media è collassata di 9 ordini di grandezza), non è stata finora mai investigata e misurata in plasma.