The effect of the coupling between the neutron multiplicity and the fission competition on the evaporation residue cross sections of the $^{48}$Ca$+^{244}$Pu reaction

Nella ricerca di comprendere i limiti stessi della materia, i fisici nucleari cercano costantemente di costruire gli atomi più pesanti possibili. Questi elementi superpesanti non esistono in natura; devono essere creati in un laboratorio facendo scontrare due nuclei atomici più leggeri a velocità incredibili. Quando collidono, talvolta si fondono in un unico nucleo massiccio e altamente eccitato. Questa nuova creazione è instabile, come una trottola che barcolla su un tavolo, e deve raffreddarsi rapidamente per sopravvivere. Lo fa espellendo piccole particelle, specificamente neutroni, per liberarsi dell'energia in eccesso. Se riesce a raffreddarsi senza dividersi, diventa un nuovo elemento più pesante. Tuttavia, le probabilità che ciò accada sono incredibilmente scarse. Il nucleo combatte costantemente una battaglia tra due forze: il desiderio di raffreddarsi espellendo neutroni e l'impulso travolgente di dividersi in due, un processo chiamato fissione. La differenza tra la creazione di un nuovo elemento e il vederlo svanire in una frazione di secondo spesso dipende da una frazione di secondo e da una minuscola quantità di energia.

Un team di ricercatori in Uzbekistan ha esaminato con uno sguardo fresco a come si svolge questa battaglia di raffreddamento, specificamente per una reazione che crea un isotopo dell'elemento flerovio. Si sono concentrati su una collisione specifica: un fascio di atomi di calcio-48 che colpisce un bersaglio di plutonio-244. Questa reazione è uno dei modi più affidabili che gli scienziati hanno attualmente per creare nuclei superpesanti, eppure prevedere esattamente quanti di questi nuovi atomi verranno creati è rimasto una sfida difficile. I ricercatori hanno scoperto che il modo standard in cui gli scienziati hanno calcolato queste probabilità per decenni mancava di un pezzo cruciale del puzzle. Cambiando il modo in cui modellavano il processo di raffreddamento, hanno scoperto che i vecchi metodi sottostimavano significativamente le possibilità di sopravvivenza per certi esiti, rivelando che la relazione tra quanti neutroni vengono espulsi e il rischio che il nucleo si divida è molto più intrecciata di quanto precedentemente pensato.

Lo studio si concentra su un momento specifico nella vita di un nucleo superpesante. Dopo che la collisione iniziale fonde il calcio e il plutonio, il nucleo risultante è caldo e in rotazione. Deve dissipare energia per sopravvivere. Lo fa emettendo neutroni uno alla volta. Ad ogni singolo passaggio di questo processo di raffreddamento, il nucleo affronta una scelta: può emettere un altro neutrone e vivere per vedere il passaggio successivo, o può dividersi e morire. In passato, gli scienziati calcolavano la probabilità di questa sopravvivenza trattando queste due scelte come eventi separati. Stimavano prima quanti neutroni il nucleo avrebbe probabilmente espulso in media, e poi, separatamente, calcolavano la probabilità che si dividesse ad ogni passaggio lungo quel percorso medio. Era un metodo che assumeva che il nucleo seguisse un unico percorso prevedibile.

La nuova ricerca mette in discussione questa separazione. Gli autori sostengono che il nucleo non segue un unico percorso medio. Invece, ogni nucleo nell'esperimento segue il proprio percorso unico, perdendo diverse quantità di energia in tempi diversi. Alcuni nuclei perdono energia rapidamente e diventano freddi presto; altri rimangono caldi per più tempo. Il rischio di divisione è massimo quando il nucleo è caldo. Pertanto, i nuclei che sopravvivono abbastanza a lungo da emettere diversi neutroni non sono i nuclei "medi" caldi; sono quelli che sono capitati a rimanere più freddi della media. Trattando il numero di neutroni e il rischio di fissione come indipendenti, il vecchio metodo ha perso questo sottile effetto di filtraggio. Assumeva che i sopravvissuti fossero caldi quanto la media, quando in realtà i sopravvissuti erano i fortunati, più freddi.

Per testare questa idea, i ricercatori hanno costruito un nuovo modello informatico che traccia l'intera popolazione di nuclei, non solo una media. Hanno simulato la collisione e seguito migliaia di singoli nuclei mentre si raffreddavano, permettendo a ciascuno di prendere le proprie decisioni sulla possibilità di emettere un neutrone o dividersi. Questo approccio "accoppiato" significava che il numero di neutroni emessi e la competizione con la fissione erano determinati simultaneamente per ogni nucleo in base alla sua energia effettiva in quel momento. I risultati sono stati sorprendenti. Per la specifica reazione studiata, il nuovo metodo mostrava che la probabilità di creare un tipo specifico di atomo di flerovio (formato dall'emissione di tre neutroni) era molto più alta di quanto previsto dal vecchio metodo. A certi livelli di energia, il nuovo calcolo mostrava una probabilità di sopravvivenza diciassette o ventiquattro volte superiore rispetto alla stima tradizionale.

Questa enorme differenza non significava che il numero totale di atomi creati fosse errato, ma piuttosto che la distribuzione dei diversi tipi di atomi lo era. Il vecchio metodo non sbagliava solo di poco; stava giudicando male la forza relativa di diversi esiti. Sottostimava la probabilità dell'esito a tre neutroni, pur avendo un effetto molto minore sull'esito a quattro neutroni. Ciò suggerisce che l'accoppiamento tra raffreddamento e fissione è la chiave per capire perché alcune reazioni producono più di un certo isotopo rispetto a un altro. I ricercatori hanno anche scoperto che l'altezza esatta della barriera energetica che tiene insieme il nucleo è critica. Hanno testato due modi diversi di calcolare questa barriera, che differivano per meno di un milione di elettronvolt — una quantità minuscola nel mondo della fisica nucleare. Eppure, questa minuscola differenza ha cambiato la probabilità di sopravvivenza predetta di oltre dieci volte. Ciò evidenzia che, sebbene il nuovo metodo di tracciare il processo di raffreddamento sia un grande miglioramento, la maggiore incerteza rimanente risiede nel conoscere con maggiore precisione la forza delle forze che tengono insieme questi nuclei superpesanti.

Il team ha confrontato i suoi nuovi calcoli con dati sperimentali reali raccolti negli ultimi due decenni da laboratori in Russia, Germania e Stati Uniti. Il loro nuovo modello, che tiene conto della natura legata di raffreddamento e fissione, è riuscito a riprodurre otto dei quattordici punti dati misurati entro un fattore di due. Questo è un significativo miglioramento dell'accuratezza per un sistema così complesso. Sebbene il modello avesse ancora difficoltà a corrispondere perfettamente ai dati sul bordo ascendente della curva di energia e ad energie molto elevate, forniva un quadro molto più chiaro del processo rispetto ai tentativi precedenti. Il lavoro dimostra che per prevedere veramente la creazione di elementi superpesanti, gli scienziati devono smettere di trattare il processo di raffreddamento come una semplice media lineare e iniziare a tenere conto dei complessi percorsi individuali di ogni singolo nucleo.

In definitiva, questo studio non si limita a raffinare un numero; cambia la comprensione del meccanismo stesso. Dimostra che la sopravvivenza di un nucleo superpesante non è una questione di semplici statistiche applicate a un percorso medio, ma un complesso processo di filtraggio in cui i sopravvissuti sono un sottoinsieme specifico e più freddo della popolazione originale. I ricercatori concludono che, sebbene il loro nuovo metodo sia uno strumento potente, la strada da seguire richiede una conoscenza ancora più precisa delle forze nucleari in gioco. Finché la forza esatta della barriera di fissione non sarà nota con maggiore certezza, le previsioni su quanti nuovi elementi potranno essere creati rimarranno limitate, indipendentemente da quanto sofisticato diventi il modello informatico. Il lavoro funge da promemoria del fatto che, nel mondo subatomico, i dettagli di come le cose accadono sono importanti quanto il risultato finale.