Demonstration of inkjet-printed targets for activation cross-section measurements: deuteron-induced reactions on strontium up to 24 MeV

Nel mondo della scienza nucleare, i ricercatori devono spesso comprendere come si comportano gli atomi quando vengono colpiti da particelle in rapido movimento. Immaginate un bersaglio fatto di un elemento specifico, come lo stronzio, situato in un fascio di deuteroni, che sono un tipo di nucleo di idrogeno pesante. Quando queste particelle collidono, possono staccare pezzi dagli atomi di stronzio o fondersi con essi, creando nuovi, instabili atomi chiamati radioisotopi. Gli scienziati si preoccupano profondamente di questo processo perché questi nuovi atomi non sono solo delle curiosità; sono strumenti vitali. Alcuni sono usati per trattare il cancro, fornendo radiazioni direttamente ai tumori, mentre altri agiscono come traccianti che permettono ai medici di vedere l'interno del corpo umano utilizzando speciali telecamere. Per utilizzare questi strumenti in modo sicuro ed efficace, gli scienziati devono sapere esattamente quanto di ogni nuovo atomo viene creato a diversi livelli di energia. Ciò richiede la misurazione di quella che viene chiamata sezione d'urto, che è essenzialmente un modo per quantificare la probabilità che avvenga una collisione. Tuttavia, realizzare i bersagli necessari per questi esperimenti è notoriamente difficile quando il materiale è un metallo come lo stronzio, che reagisce violentemente con l'aria e l'umidità, rendendo impossibile la produzione di fogli sottili come altri metalli.

Un team di ricercatori presso il RIKEN in Giappone ha trovato un modo ingegnoso per aggirare questo ostacolo, misurando con successo queste probabilità di collisione per la prima volta utilizzando un nuovo metodo di preparazione del bersaglio. Invece di cercare di forgiare un sottile foglio metallico, hanno utilizzato una stampante a getto d'inchiostro commerciale standard per depositare minuscole goccioline di una soluzione di stronio su una sottile lamina di alluminio. Mentre il liquido asciugava, lasciava dietro di sé uno strato uniforme di cristalli di nitrato di stronzio, abbastanza sottile da lasciare passare il fascio di particelle ma abbastanza denso da creare le reazioni necessarie. Il team ha sparato un fascio di deuteroni con energie fino a 24 milioni di elettronvolt contro questi bersagli stampati. Misurando attentamente i raggi gamma emessi dagli atomi radioattivi risultanti, sono stati in grado di mappare esattamente quanto ittrio veniva prodotto a ogni livello di energia. Questo lavoro è significativo perché dimostra che la stampa a getto d'inchiostro può essere uno strumento affidabile per creare bersagli di alta qualità per la fisica nucleare, aprendo la strada allo studio di elementi che erano precedentemente troppo difficili da gestire.

I ricercatori si sono concentrati sulla creazione di diverse forme di ittrio, un elemento chimicamente simile allo stronzio ma con proprietà radioattive differenti. Tra i risultati più importanti vi fu la prima misurazione di quanto venga prodotta una specifica forma a breve durata dell'ittrio, nota come 86mY. Hanno anche misurato la produzione di altre forme, tra cui 86gY, 87mY, 87gY e 88Y, attraverso un ampio intervallo di energie. Per garantire l'accuratezza dei loro risultati, hanno confrontato i loro dati con i record esistenti e le previsioni al computer. Hanno scoperto che le loro misurazioni generalmente corrispondevano agli studi precedenti, sebbene fossero leggermente più alte nell'intervallo di bassa energia dove le reazioni iniziano appena. Quando hanno confrontato i loro risultati con la libreria TENDL-2023, un importante database utilizzato dagli scienziati per prevedere il comportamento nucleare, hanno scoperto che i modelli informatici tendevano a sovrastimare la quantità di ittrio prodotta, in particolare alle energie inferiori. Questa discrepanza è importante perché dice ai creatori di database che i loro modelli devono essere perfezionati per riflettere meglio la realtà.

Il successo di questo esperimento dipende fortemente dalla qualità dei bersagli. I ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata autoradiografia, che consiste nel posizionare una lastra di imaging speciale sopra il bersaglio per vedere esattamente dove il materiale radioattivo è stato depositato. Questa analisi ha mostrato che i bersagli stampati a getto d'inchiostro erano straordinariamente uniformi, con variazioni di spessore inferiori al tre per cento. Questo livello di coerenza è fondamentale perché qualsiasi irregolarità nel bersaglio potrebbe distorcere l'energia del fascio di particelle e falsare i risultati. Confermando che i punti stampati erano distribuiti uniformemente e che l'energia del fascio rimaneva stabile mentre passava attraverso la pila di bersagli, il team ha potuto fidarsi dei propri numeri. Hanno anche utilizzato una reazione di monitoraggio coinvolgente il rame per ricontrollare le impostazioni del loro fascio, scoprendo che la loro configurazione sperimentale stava funzionando esattamente come previsto.

Le implicazioni di queste misurazioni vanno oltre il semplice riempimento di un vuoto in una tabella dati. I dati aiutano a perfezionare la comprensione di come produrre specifici isotopi medici. Ad esempio, l'intervallo di energia studiato in questo esperimento corrisponde alle condizioni ottimali per la produzione di 88Y, un isotopo a lunga durata utile per calibrare i rilevatori di radiazioni. Per gli altri isotopi, sebbene siano spesso preferite energie più elevate per la produzione su larga scala, i dati a bassa energia qui forniti servono come un benchmark critico. Permettono agli scienziati di verificare che i loro modelli teorici siano corretti, il che è essenziale per prevedere quanta impurità potrebbe essere creata insieme all'isotopo medico desiderato. Dimostrando che la stampa a getto d'inchiostro può creare bersagli per metalli reattivi come lo stronzio, questo studio offre una nuova, pratica via per futuri esperimenti, garantendo che i dati nucleari necessari per le applicazioni mediche e scientifiche diventino sempre più precisi e affidabili.