Evaluation of Phenomenological Characteristics of the Two-Proton Decay of the 45Fe Nucleus

Nel limite estremo del mondo atomico, dove le forze che tengono unito un nucleo sono tese fino al loro punto di rottura, si verifica un evento raro e fugace. Alcuni nuclei atomici sono così pesanti di protoni da non riuscire a contenerli tutti; sono instabili e devono liberare l'eccesso per trovare la stabilità. Mentre molti atomi instabili espellono semplicemente un singolo protone, un gruppo molto specifico di nuclei situati oltre la "linea di sgocciolamento protonico" affronta una sfida diversa: devono espellere due protoni contemporaneamente. Questo fenomeno, noto come radioattività a due protoni, è una delicata danza di meccanica quantistica in cui la tempistica e l'interazione delle particelle in fuga rivelano la struttura nascosta del nucleo stesso. Per decenni, i fisici hanno dibattuto su come ciò avvenga: i due protoni partono uno dopo l'altro, facendo una breve pausa in un reale stato intermedio, o scappano insieme in un unico, coordinato scoppio attraverso una configurazione virtuale e fugace? Comprendere questo processo è cruciale perché funge da sonda per le forze fondamentali che modellano il nucleo atomico, offrendo una finestra sul comportamento della materia in condizioni che non possono essere create altrove nell'universo.

Un team di ricercatori dell'Università Statale di Voronezh ha sviluppato un nuovo quadro matematico per rispondere a queste domande, applicandolo al nucleo del ferro-45, un sistema di riferimento per questo tipo di decadimento. Il ferro-45 è un isotopo raro che si trova proprio al limite della stabilità e, quando decade, si trasforma in cromo-43 espellendo due protoni. Gli scienziati hanno creato una teoria sofisticata basata sul concetto di "funzione di Green", che funge da ponte collegando il nucleo iniziale a quello finale attraverso lo stadio intermedio. Questo approccio permette loro di trattare l'emissione dei due protoni come due passi consecutivi, ma con un tocco cruciale: la teoria tiene conto di entrambi gli scenari in cui il nucleo intermedio esiste come uno stato reale e temporaneo e gli scenari in cui esiste solo come una possibilità matematica virtuale che non si forma mai completamente. Utilizzando questo metodo unificato, i ricercatori sono stati in grado di calcolare non solo la velocità con cui avviene il decadimento, ma anche le direzioni specifiche in cui i protoni volano via.

I ricercatori hanno applicato la loro teoria al ferro-45 utilizzando un modello che tiene conto della natura superfluida del nucleo, dove i protoni si accoppiano e si muovono in modo coordinato, in modo simile a come gli elettroni si muovono in un superconduttore. Hanno testato i loro calcoli rispetto ai dati sperimentali reali, guardando specificamente alla velocità totale del decadimento e alla distribuzione angolare dei protoni emessi. I risultati hanno mostrato una sorprendente sensibilità alla scelta del potenziale nucleare, ovvero la descrizione matematica del campo di forza all'interno del nucleo. Il team ha scoperto che solo una versione molto specifica di questo potenziale, precedentemente proposta in altri studi, poteva riprodurre simultaneamente sia il tasso di decadimento misurato che il pattern osservato degli angoli dei protoni. Altri modelli di potenziale, sebbene matematicamente validi in altri contesti, non riuscivano a corrispondere alla realtà sperimentale quando applicati a questo specifico decadimento.

Uno dei risultati più significativi è che i ricercatori sono stati in grado di escludere l'idea che i protoni partano semplicemente come particelle indipendenti senza alcuna correlazione, o che formino un cluster preesistente e compatto chiamato "diprotone" prima di fuggire. Invece, i dati supportano l'immagine di protoni emessi in modo sequenziale, ma il processo è fortemente influenzato dagli stati quantistici "virtuali" del nucleo intermedio. Lo studio ha dimostrato che la distribuzione angolare dei protoni — gli angoli secondo i quali si allontanano — contiene una firma nascosta della struttura nucleare. Quando i ricercatori hanno confrontato le loro previsioni teoriche con gli istogrammi sperimentali degli angoli dei protoni, hanno trovato che il corretto potenziale nucleare produceva una curva che corrispondeva quasi perfettamente ai dati, catturando le sottili asimmetrie che altri modelli avevano mancato.

L'articolo conclude che questo nuovo approccio basato sulla funzione di Green fornisce uno strumento coerente e potente per comprendere la radioattività a due protoni. Esso riesce a colmare il divario tra la descrizione teorica dei decadimenti sequenziali reali e quelli più elusivi dei decadimenti virtuali, il tutto all'interno di un unico quadro di meccanica quantistica. Dimostrando che la scelta corretta del potenziale nucleare è essenziale per riprodurre i risultati sperimentali, il lavoro evidenzia quanto questi processi di decadimento siano sensibili ai dettagli microscopici del nucleo. I ricercatori sottolineano che il loro metodo non si basa su aggiustamenti arbitrari ma emerge naturalmente dalla fisica sottostante dell'accoppiamento dei protoni e della struttura a gusci. Ciò suggerisce che la correlazione angolare dei protoni emessi serve come un test rigoroso per i modelli teorici, offrendo un modo per distinguere tra diverse descrizioni delle forze nucleari. In definitiva, lo studio conferma che il nucleo del ferro-45 decade attraverso un meccanismo che è meglio descritto come un processo sequenziale che coinvolge stati intermedi virtuali, e che la forma specifica del campo di forza nucleare è la chiave per sbloccare i dettagli di questo raro evento cosmico.