p-nuclei

Un esperimento senza precedenti ha permesso di ricreare una reazione cosmica che fino a oggi nessuno era mai riuscito a misurare direttamente, aprendo una finestra nuova su uno dei misteri più ostinati dell'astrofisica: l'origine degli elementi proton-rich, quei nuclei ricchi di protoni più pesanti del ferro che da decenni sfuggono a una spiegazione completa. Il risultato arriva dal Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) della Michigan State University, e la notizia è stata resa pubblica il 14 aprile 2026. A guidare lo studio è stata Artemis Tsantiri, che ha condotto il lavoro come dottoranda al FRIB e ora ricopre il ruolo di ricercatrice post-dottorato presso la University of Regina, in Canada. Per la prima volta in assoluto, il suo team è riuscito a misurare direttamente come l'arsenico 73 cattura un protone per formare il selenio 74, utilizzando un fascio di isotopi rari. Questo risultato fissa nuovi limiti su come il più leggero dei cosiddetti p-nuclei viene creato e distrutto nello spazio. La ricerca, pubblicata su Physical Review Letters, ha coinvolto oltre 45 scienziati provenienti da 20 istituzioni tra Stati Uniti, Canada ed Europa. Perché è così importante? Molti elementi più pesanti del ferro si formano attraverso processi di cattura di neutroni, lenti o rapidi. I nuclei atomici assorbono neutroni e poi decadono radioattivamente fino a raggiungere forme stabili. Ma esiste un gruppo speciale di isotopi ricchi di protoni che non può essere prodotto in questo modo. Questi p-nuclei vanno dal selenio 74 (il più leggero) al mercurio 196 (il più pesante), e la loro origine resta nebulosa da decenni. Come funziona il processo gamma nelle esplosioni di supernova Una delle spiegazioni più accreditate per la formazione dei p-nuclei è il cosiddetto processo gamma, che avviene in certi tipi di esplosioni di supernova. In quegli ambienti estremi, il calore intenso genera raggi gamma capaci di strappare neutroni e altre particelle dai nuclei pesanti già esistenti. Quello che resta sono nuclei con più protoni che neutroni, i quali col tempo convertono parte dei protoni in neutroni, avvicinandosi a un equilibrio più stabile e dando vita, infine, ai p-nuclei. Il problema è che molti degli isotopi coinvolti in questo processo hanno vita brevissima e sono difficilissimi da produrre in laboratorio. Per questo, fino a oggi, gli scienziati si sono affidati quasi esclusivamente a modelli teorici. Come ha spiegato Tsantiri stessa: "Anche se l'origine dei p-nuclei è oggetto di studio da oltre 60 anni, le misurazioni di reazioni importanti su isotopi a vita breve sono praticamente inesistenti. Esperimenti di questo tipo sono possibili solo adesso, grazie a strutture come il FRIB." Nel concreto, i ricercatori hanno generato un fascio di arsenico 73 e lo hanno diretto in una camera riempita di gas idrogeno, che fungeva da sorgente di protoni, posizionata al centro del rivelatore Summing NaI (SuN). Il fascio è stato prodotto utilizzando l'acceleratore ReA del FRIB, operato in configurazione standalone anziché con il principale acceleratore lineare. Il gruppo di radiochimica, guidato da Katharina Domnanich, ha preparato il materiale in una forma adatta all'esperimento: l'isotopo è stato ionizzato, accelerato ad alte energie e consegnato al bersaglio. Modelli più precisi, ma restano domande aperte Durante la reazione, l'arsenico 73 assorbe un protone e diventa selenio 74 in uno stato eccitato, rilasciando poi un raggio gamma per raggiungere la stabilità. Il team si è concentrato sulla reazione inversa, perché è quella che gioca un ruolo chiave nel processo gamma all'interno delle stelle. Misurando la reazione diretta, è stato possibile determinare la velocità del processo inverso. Per capire quanta quantità di selenio 74 esista nel sistema solare, bisogna tenere conto sia della sua creazione sia della sua distruzione. Una delle incertezze più grandi riguardava proprio la frequenza con cui il selenio 74 viene frantumato dai raggi gamma durante le esplosioni stellari. Integrando le nuove misurazioni nei modelli astrofisici, i ricercatori hanno ridotto l'incertezza del 50% sulla previsione dell'abbondanza di selenio 74. Un miglioramento notevole. Eppure, i modelli aggiornati non coincidono ancora perfettamente con quanto osservato in natura, il che suggerisce la necessità di rivedere le ipotesi sulle condizioni interne alle esplosioni di supernova. Come ha commentato Artemis Spyrou, professoressa di fisica al FRIB e consigliera di ricerca di Tsantiri: "Questi risultati ci avvicinano alla comprensione delle origini di alcuni degli isotopi più rari dell'universo. Il lavoro di Tsantiri è un bell'esempio delle collaborazioni multidisciplinari necessarie per far avanzare il campo."

p-nuclei

FRIB ricrea per la prima volta una reazione cosmica mai osservata prima