Thick-target Yield of Cu(Ga Near Threshold and Implications for Nuclear Medicine, Deep Underground Detector Backgrounds, and Nucleosynthesis
Questo studio riporta nuove misurazioni della resa su bersaglio spesso per la reazione Cu(Ga in prossimità della soglia, che si allineano ai precedenti dati su singolo foglio e alle attuali stime IAEA a 14 MeV ma rivelano rese significativamente inferiori a 8 MeV, confermando al contempo l'accuratezza delle stime esistenti della sezione d'urto utilizzate per i background dei rivelatori e per i calcoli di nucleosintesi.
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Negli angoli silenziosi dell'universo, nelle profondità del sottosuolo terrestre, gli scienziati ascoltano i sussurri provenienti dal cosmo. Cercano i neutrini, particelle fantasma che attraversano ogni cosa, e la materia oscura, una sostanza invisibile che tiene insieme le galassie. Per ascoltare questi deboli segnali, i rilevatori devono essere schermati dal costante chiacchiericcio dei raggi cosmici e della radioattività naturale. Tuttavia, anche nelle miniere più profonde, persiste un sottile rumore di fondo. Questo rumore proviene spesso dai neutroni, minuscole particelle che possono simulare i segnali che gli scienziati stanno dando la caccia. Una fonte di questi neutroni indesiderati è l'interazione tra le particelle alfa — nuclei di elio emessi dagli elementi radioattivi naturali nel terreno — e il rame utilizzato per costruire gli stessi rilevatori. Comprendere esattamente quanto spesso ciò accada è fondamentale per distinguere un vero segnale cosmico da un disturbo locale.
Allo stesso tempo, questa stessa interazione detiene la chiave per la creazione di uno strumento medico vitale. Gli ospedali si affidano a una forma radioattiva di gallio, nota come gallio-68, per creare immagini del funzionamento interno del corpo, in particolare per la rilevazione del cancro. Questo isotopo viene spesso prodotto sparando particelle alfa contro un bersaglio di rame. La sfida risiede nel trovare il livello di energia perfetto: troppo basso, e la reazione non avverrà; troppo alto, e si creano impurità radioattive indesiderate che rendono il prodotto medico non sicuro. Per anni, gli scienziati hanno dibattuto su quanto gallio-68 possa essere prodotto a questi specifici livelli di energia, con studi diversi che offrivano stime ampiamente differenti. Questa incertezza ha reso difficile pianificare una produzione medica efficiente o calcolare accuratamente il rumore di fondo negli esperimenti profondi nel sottosuolo.
Un team di ricercatori si è messo in viaggio per risolvere questo dibattito misurando direttamente la reazione, invece di affidarsi a metodi indiretti che avevano portato alla confusione. Hanno lavorato presso un acceleratore di particelle, una macchina che accelera gli ioni di elio a velocità elevate. Invece di utilizzare i bersagli complessi e multistrato comuni negli studi precedenti, hanno utilizzato un singolo blocco spesso di rame naturale. Hanno sparato un fascio di ioni di elio contro questo blocco, variando l'energia del fascio da un livello appena sopra il punto in cui la reazione inizia fino a un livello più elevato e potente. Mentre gli ioni di elio colpivano il rame, innescavano una reazione nucleare che rilasciava neutroni. I ricercatori hanno contato questi neutroni con un rilevatore specializzato progettato per catturarli da tutte le direzioni, permettendo loro di calcolare esattamente quanti atomi di gallio venivano creati per ogni unità di energia del fascio utilizzato.
I risultati hanno fornito un quadro chiaro che contraddice diverse stime di lunga data. Il team ha scoperto che la quantità di gallio-68 prodotta a energie inferiori era significativamente minore di quanto previsto da alcuni modelli precedenti. Nello specifico, a un'energia di otto milioni di elettronvolt, un livello in cui la reazione può produrre isotopi medici puri senza contaminazione, le loro misurazioni hanno mostrato una resa quasi quattro volte inferiore rispetto alla stima standard attuale utilizzata dalle organizzazioni sanitarie internazionali. Ciò suggerisce che produrre questo isotopo medico utilizzando rame naturale a questa specifica energia è più difficile e richiede apparecchiature più potenti di quanto precedentemente pensato, sebbene i ricercatori abbiano confermato che rimane tecnicamente possibile con fasci ad alta intensità.
Tuttavia, la storia non è di fallimento ma di chiarificazione. Quando i ricercatori hanno osservato l'intervallo di energia più elevato, dove la reazione è più efficiente per la produzione medica, i loro nuovi dati si sono allineati perfettamente con lo standard internazionale attuale. Questo accordo dà agli scienziati fiducia nei numeri utilizzati per la produzione di isotopi medici a quelle energie più elevate. Inoltre, il team ha confrontato i propri risultati con i calcoli utilizzati per prevedere il rumore di fondo nei rilevatori profondi nel sottosuolo. Hanno scoperto che i modelli utilizzati dai fisici che cercano materia oscura e neutrini erano già accurati. La sezione d'urto, una misura di quanto sia probabile che la reazione avvenga, utilizzata in quei calcoli profondi nella terra, corrisponde alle loro nuove misurazioni, il che significa che quegli esperimenti sensibili non devono essere ricalibrati sulla base di questi nuovi dati.
Lo studio ha inoltre raggiunto il campo dell'astrofisica, dove gli scienziati cercano di capire come gli elementi pesanti vengano forgiati negli ambienti violenti delle stelle esplodenti. Il tasso con cui il rame si trasforma in gallio in queste fornaci cosmiche è un ingrediente chiave nei modelli informatici dell'universo. I ricercatori hanno scoperto che le loro nuove misurazioni supportano i tassi di reazione attualmente utilizzati in questi modelli astrofisici, in particolare quelli che si affidano a sofisticate simulazioni al computer delle forze nucleari. Ciò conferma che la nostra comprensione di come gli elementi vengono creati nelle stelle è su basi solide. Misurando direttamente e con cura la reazione, il team ha rimosso uno strato di incertezza, assicurando che medici, esploratori della terra profonda e teorici del cosmo abbiano tutti gli stessi numeri affidabili con cui lavorare.
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