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.
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 fasci di ioni radioattivi.
L’astrofisica nucleare con metodi indiretti: l’esperimento ASFIN2
La collaborazione ASFIN2 investiga le reazioni di fusione fondamentali per l'evoluzione stellare e la nucleosintesi stellare e primordiale. Nella maggior parte dei contesti astrofisici i processi nucleari avvengono a energie molto basse e di difficile accesso in laboratorio, per questo motivo ASFIN2 ha sviluppato negli anni specifiche tecniche di misure: dall'uso metodi indiretti (come il Trojan Horse Method, THM, o l’Asymptotic Normalization Coefficient, ANC) per la misura di sezioni d'urto, all'uso di fasci gamma di alta intensità, alla produzione di plasmi tramite laser di alta intensità. Grazie al Trojan Horse Method ASFIN2 è riuscita a studiare il laboratorio reazioni chiave per l'astrofisica senza effetti di distorsione dovuti a repulsione coulombiana e screening di elettroni. Tuttavia, il metodo, applicato presso laboratori che producono fasci radioattivi, permette anche lo studio di reazioni indotte da neutroni su nuclei radioattivi e di esplorare così sia i fenomeni quiescenti caratteristici della nucleosintesi delle prime fasi dell’evoluzione stellare, che quelli più esotici tipici delle fasi finali più catastrofiche.
Inoltre, ASFIN2 si occupa dello studio degli effetti della struttura nucleare sull’astrofisica. Per tutti questi scopi si utilizzano array di rivelatori al silicio sensibili alla posizione innovativi (ad esempio il multi-rivelatore NEFASTA, in figura) 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. Un importante risultato del gruppo è la misura della sezione d’urto 12C+12C effettuato ai LNS (A.Tumino et al., Nature, 557, 687–690 (2018)).
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 asssociata 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.
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 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.
Tra astrofisica nucleare e fisica applicata: l’esperimento n_TOF
La facility n_TOF (neutron Time-Of-Flight) del CERN è un esperimento internazionale dedicato allo studio delle reazioni nucleari indotte da neutroni, fondamentali in numerosi ambiti: dalla fisica nucleare di base all’astrofisica, dalla sicurezza nucleare alla medicina. Il cuore dell’esperimento è una sorgente di neutroni pulsata ad alta intensità (fino a 106 neutroni/cm2 per impulso) ed energie comprese tra i 25 meV ed 1 GeV, prodotta bombardando un bersaglio di piombo con il fascio di protoni del Proton Syncrotron. L’energia dei neutroni è misurata con alta precisione attraverso il tempo che impiegano per raggiungere le aree sperimentali, dove le loro reazioni con diversi materiali sono studiate.
Un ruolo di primo piano nella collaborazione è svolto dai ricercatori dell’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare). In particolare, il gruppo dei Laboratori Nazionali del Sud ha dato un contributo fondamentale allo sviluppo di rivelatori, allo svolgimento di misure complesse e la loro analisi dati. I ricercatori dei LNS hanno guidato importanti campagne sperimentali, fra cui la misura della sezione d’urto della reazione 140Ce(n, γ), di interesse per la nucleosintesi degli elementi pesanti nelle stelle, e la fissione dell'Uranio-235. Attualmente il gruppo sta sviluppando un nuovo apparato di misura, basato su rivelatori al silicio, per lo studio delle reazioni sui materiali strutturali dei reattori a fusione.
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.
PANDORA: un nuovo esperimento per studiare i decadimenti β in plasmi magnetizzati
L’esperimento PANDORA si propone di costruire una trappola magnetica in grado di confinare plasmi ad alta temperatura (fino a 108 K) e densità dell’ordine di 1011-13 cm-3, contenenti isotopi radioattivi multi-ionizzati al fine di studiarne il decadimento β. La misura del decadimento beta in plasma è di fondamentale rilevanza nello studio del processo s, un processo di nucleosintesi basato sulla cattura neutronica in cui il radioisotopo creato decade beta prima che un altro neutrone possa essere catturato.
La modifica predetta nel tasso di decadimento beta legata all’apertura di un nuovo canale di decadimento, il bound-state β decay, possibile grazie alla ionizzazione degli atomi del plasma, e preliminarmente osservato in un ristretto numero di isotopi esclusivamente in condizioni di massima ionizzazione (in alcuni esperimenti allo Storage Ring del GSI), non è stata finora mai investigata in plasma.