In un esperimento effettuato a Laboratorio Nazionale di Berkeley (Stati Uniti) con la partecipazione di un team dell’IPHC, gli scienziati hanno prodotto per la prima volta il fegatomorio-290 (Z=116), un nucleo atomico superpesante, da un fascio di titanio-50 (Z=22).
Sapevamo che questa strada era molto promettente, ma i fisici hanno investito diversi anni di sviluppo per ottenere fasci sufficientemente intensi per questo utilizzo. Con questo successo sta emergendo una nuova via per la sintesi dei nuclei superpesanti. Un percorso che dovrebbe consentire in futuro di produrre nuovi nuclei oltre l’oganesson-294 (Z=118), il nucleo più pesante mai studiato dai fisici nucleari. Passo successivo, riuscire a sintetizzare l’elemento 120. Sebbene l’elemento 116 fosse noto e sintetizzato da circa vent’anni, i due isotopi del fegatomorio apparvero brevemente vicino al ciclotrone del Laboratorio Nazionale di Berkeley lo scorso 27 aprile e il 16 giugno scorso la comunità del fisica nucleare nell’eccitazione. Questo perché i due isotopi di questo elemento superpesante, assente in natura, sono il risultato di un’unione senza precedenti: quella del plutonio-244 (Z=94) e del titanio-50.
L’uso del titanio-50 nel contesto di tali reazioni di laboratorio, chiamate fusione-evaporazione, dà infatti filo da torcere ai fisici da molti anni. Ma ne è valsa la pena: nelle giuste condizioni, l’utilizzo di questo isotopo e di quello del suo vicino, il cromo-54 (Z=24), potrebbe sbloccare la ricerca di nuclei sempre più ricchi di protoni dando impulso alla tecnica della fusione-evaporazione in nuove sfere.
Questo processo, utilizzato in fisica nucleare per sintetizzare nuclei artificiali superpesanti, sembra a prima vista tanto semplice quanto brutale: prendere un nucleo pesante (qui plutonio-244) e bombardarlo con nuclei più leggeri (qui titanio-50). Si spera che alcuni di questi proiettili superino la repulsione tra le cariche positive dei due nuclei per amalgamarsi con i nuclei pesanti del bersaglio.
Mettere in pratica la reazione di fusione-evaporazione ha permesso agli scienziati di produrre numerosi elementi artificiali oltre l’uranio in laboratorio, approfondendo così la nostra comprensione dei meccanismi nucleari e la nostra conoscenza di queste strutture quantistiche. Ma eccolo qui: i fasci di calcio-48 (Z=20), su cui si è basato finora questo processo, hanno raggiunto il loro limite bombardando bersagli di californio, il più pesante che sia possibile produrre.
È infatti la fusione del californio, con i suoi 98 protoni, e del calcio-48 che ha permesso di produrre l’oganesson, l’elemento più pesante mai prodotto in laboratorio, con 118 protoni. Per superare questo limite, attualmente è possibile una sola soluzione: utilizzare nuove travi metalliche più pesanti del calcio-48, come il titanio-50 o il cromo-54.
Tuttavia, l’utilizzo di core più pesanti è una sfida. Quanto più aumenta il numero di protoni, tanto più si intensifica la barriera elettrostatica che si oppone alla fusione, senza contare che l’energia cinetica di questi nuclei essendo maggiore, rende il nucleo sintetizzato più eccitato, e quindi più instabile. Le possibilità di sopravvivenza per questi nuclei sono quindi molto scarse ed è difficile averne contemporaneamente la possibilitàenergia e l’intensità del fascio richiesta. Inoltre, il titanio è uno dei fasci più difficili da produrre in modo continuo ad alta intensità.
Per aggirare questo problema e raggiungere il risultato del 2024, due metodi furono successivamente aggiornati e poi adottati dal team dell’IPHC guidato da Benoît Gall in quella che sarebbe diventata una vera epopea scientifica. Il gruppo ha iniziato seguendo il cosiddetto sentiero MIVOC (per Ioni metallici da composti organici volatili), dove gli isotopi degli ioni metallici vengono isolati e poi combinati con composti organici volatili per formare una polvere stabile. I vapori risultanti dalla sublimazione di questa polvere alimentano poi la sorgente ionica per produrre i fasci.
Utilizzando questo metodo, Zouhair Asfari, chimico dell’IPHC, ha permesso di generare un fascio di titanio-50 sufficientemente intenso da produrre più di 2000 nuclei di ruterfordio-256 (Z=104) nel 2011. Lo stesso metodo è stato applicato diversi anni successivamente al cromo-54 per studiare la fissione dell’elemento 120 a Dubna, in Russia. “In queste condizioni sperimentalispiega Benoît Gall, gli furono date poche possibilità di sopravvivenza. Si è fissione quasi immediatamente, ma la manipolazione ci ha permesso di saperne di più su questo processo“.
A intensità maggiore, i vapori legati ai composti MIVOC saturano la fonte. Questo è il motivo per cui il team dell’IPHC si è successivamente rivolto a un metodo alternativo, quello della vaporizzazione diretta dei metalli utilizzando microforni a induzione. Questa tecnica ha il vantaggio di generare vapori metallici puri, aumentando l’intensità prodotta dalle sorgenti e quindi il numero di reazioni di fusione sul bersaglio. Ma se 400°C sono sufficienti per vaporizzare il calcio, è necessario arrivare fino a 1660°C per produrre un fascio di titanio con questo metodo, che richiede lo sviluppo di forni idonei e più potenti.
Gli scienziati di Strasburgo hanno quindi investito in un progetto di microforno a induzione per lo studio dei nuclei superpesanti con lo spettrometro S3 presso GANIL e per il loro programma di sintesi di elementi superpesanti. Nel 2019 a Dubna hanno potuto dimostrare la capacità del loro forno di vaporizzare cromo e titanio, un progetto che da allora ha subito le conseguenze di contesto internazionale.
Nel 2020, il gruppo ha unito le forze con i colleghi di Berkeley, che stanno anch’essi sviluppando un forno a induzione, e ha messo loro a disposizione la propria esperienza. È nel quadro di questa fruttuosa collaborazione che la sintesi del fegatomorio presso il ciclotrone di Berkeley premia gli sforzi di lunga data del team.
“Questo esperimento costituisce un passo importante verso la sintesi di nuovi elementi perché non solo fornisce la prova della fattibilità della sintesi dell’elemento 120 con un fascio di titanio-50, ma anche una stima del tempo necessario per produrlo!“, esulta Benoît Gall. L’esperimento può essere avviato non appena completata l’installazione sperimentale a Berkeley sarà stato preparato per accogliere l’obiettivo del californio, che è molto più radioattivo del plutonio-244.
Grazie alle travi di metalli pesanti, la scoperta del prossimo elemento superpesante sarebbe possibile entro il 2026. Una prospettiva piacevole sia per gli sperimentali che per i teorici: sintetizzare e poi studiare nuovi elementi oltre i limiti attuali illumina i fisici sulla struttura del nucleo – l’elemento 120 potrebbe per esempio rivelare un’ipotetica isola di stabilità dove la durata di vita dei nuclei sarebbe molto più lunga di quella dei nuclei superpesanti prodotti fino a oggi.
