Fisici nucleari dell'Università di Milano e dell'INFN di Milano (esperimento GAMMA) hanno contribuito alla scoperta inaspettata del meccanismo di formazione del momento angolare dei due frammenti che si generano nel processo di fissione nucleare. Questo eccezionale mistero della fisica nucleare è stato risolto misurando la radiazione gamma emessa dalla fissione di Uranio e Torio.
La fissione nucleare è il meccanismo per cui un nucleo pesante si divide in due frammenti e rilascia energia. Tale fenomeno, scoperto alla fine degli anni ’30 del secolo scorso dai chimici Otto Hahn e Fritz Strassmann e dai fisici Lise Meitner e Otto Frisch, offre ancora aspetti affascinanti e misteriosi da scoprire.
A seguito del processo di fissione, i due frammenti emergono in rotazione. Questa osservazione è considerata da decenni uno dei misteri più importanti della fisica nucleare: è infatti estremamente difficile comprendere la generazione di 6-7 unità di momento (o spin) per ciascun frammento, a partire da sistemi praticamente a spin zero. Fino ad ora, nessuna osservazione sperimentale è stata in grado di fornire elementi sufficienti per distinguere tra le diverse interpretazioni teoriche che descrivono in meccanismo di generazione del momento angolare, anche se prevale l’ipotesi che eccitazioni di moti collettivi vibrazionali possano generare momento angolare intrinseco prima che il nucleo fissioni (pre-fissione).
In una serie di esperimenti condotti presso l’acceleratore ALTO, al laboratorio Irène-Joliot-Curie di Orsay (Francia), è stato ora sorprendentemente osservato che i frammenti di fissione acquistano momento angolare dopo la fissione e non prima. Tale scoperta inaspettata è stata ottenuta dalla collaborazione internazionale di fisica nucleare NU-BALL, che si occupa di studiare una ampia gamma di nuclei e di investigarne la loro struttura mediante l’impiego di uno spettrometro gamma ad alta granularità, composto da più di 100 rivelatori al germanio iperpuro, appartenenti al network europeo GAMMAPOOL. La collaborazione NU-BALL include ricercatori da 37 istituzioni e 16 paesi, tra cui fisici nucleari dell’Università di Milano e INFN (esperimento GAMMA della Commissione Scientifica Nazionale 3).
Per rivelare il meccanismo di generazione dello spin dei frammenti di fissione, lo spettrometro NU-BALL è stato accoppiato alla sorgente di neutroni LICORNE, ed è stata misurata, con alta precisione, la radiazione gamma emessa dalla fissione indotta da neutroni veloci, su isotopi di Uranio 238U e Torio 232Th. La campagna sperimentale è stata condotta nel 2018 ed è durata 7 settimane.
Dalla mole di dati raccolti è emerso che non c’è evidente correlazione tra gli spin dei frammenti partner di fissione, al contrario di quanto prevede la maggior parte delle teorie che ipotizzano la generazione di momento angolare prima che il nucleo fissioni. Questo porta a concludere che lo spin dei frammenti di fissione è generato dopo la rottura del sistema.
Tale sorprendente osservazione può essere spiegata attraverso i moti collettivi dei nucleoni nella zona di “neck” del sistema che sta fissionando, moti collettivi che portano alla generazione di due momenti meccanici indipendenti, analogamente allo scatto di una fascia elastica tesa che si traduce in una forza di rotazione.
Queste nuove ed inaspettate osservazioni sulla generazione del momento angolare nella fissione nucleare sono di importanza fondamentale per la comprensione e l’interpretazione teorica approfondita del processo di fissione, con ricadute importanti anche in altre aree di ricerca, come ad esempio lo studio degli isotopi ricchi di neutroni e la sintesi e stabilità degli elementi super-pesanti. Altre ricadute applicative importanti riguardano, ad esempio, il riscaldamento dei reattori nucleari a causa della radiazione gamma: la conoscenza delle cascate gamma emesse durante la fissione (e parametri importanti quali il numero di gamma emessi) è infatti cruciale per il calcolo di effetti di riscaldamento nei reattori.
L’Università di Milano e l’esperimento GAMMA dell’INFN (appartenente alla Commissione 3 di Fisica Nucleare) hanno una collaborazione di lunga durata con diversi gruppi di Fisica Nucleare di Orsay ed hanno contribuito attivamente, ed in prima persona, alla messa a punto dei rivelatori gamma, all’analisi dati e alla interpretazione teorica dei risultati ottenuti e ora pubblicati su Nature.
Per informazioni:
Prof. Silvia Leoni, Università di Milano e INFN
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Pubblicazione:
J.N. Wilson et al., ‘Angular momentum generation in nuclear fission’, Nature 590, 566 (2021) https://doi.org/10.1038/s41586-021-03304-w
Charles Q. Choi, ‘Mystery of Spinning Atomic Fragments Solved at Last’, Scientific American, February 24, 2021, https://www.scientificamerican.com/article/mystery-of-spinning-atomic-fragments-solved-at-last/
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