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Uno studio firmato da un dottorando dell’Università di Cagliari e alcuni collaboratori italo-cinesi è stato appena pubblicato su “Physical Review Letters”, una tra le più prestigiose riviste peer-reviewed di fisica con un altissimo impact factor, pubblicata da American Physical Society.
La ricerca è stata eseguita dal dottor Matteo Cadeddu, che concluderà a breve il suo dottorato in Fisica all’Università di Cagliari, il dott. Carlo Giunti, ricercatore all’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) a Torino, Y.F. Li e Y.Y. Zhang dell’Istituto delle Alte Energie dell’Accademia delle Scienze cinese. Essa ha permesso di misurare per la prima volta il raggio della distribuzione dei neutroni nei nuclei di Cesio e Iodio con un metodo innovativo che sfrutta paradossalmente delle particelle che interagiscono pochissimo: i neutrini.
Della distribuzione spaziale dei protoni all’interno dei nuclei si conoscono molti dettagli grazie al fatto che gli innumerevoli metodi sperimentali utilizzati finora sono in grado di sondare solo la parte elettricamente carica dei nuclei, per l’appunto i protoni. Questo avviene per esempio analizzando la diffusione di particelle cariche, quali gli elettroni, che deviano in modo diverso in funzione di come sono distribuiti i protoni all’interno dei nuclei.
Sulla distribuzione dei neutroni, che sono elettricamente neutri, si sa invece sorprendentemente poco o niente, proprio perché le tecniche sopracitate non funzionano e le altre tecniche proposte soffrono del fatto che dipendono a loro volta da alcuni parametri teorici, che le rendono di fatto troppo dipendenti dal modello usato.
Dai modelli teorici non ci si attende che la distribuzione dei neutroni sia molto diversa da quella meglio conosciuta dei protoni, ma qualsiasi elemento che provenga dagli esperimenti è vitale per completare la comprensione del mondo nucleare e delle interazioni tra i protoni e neutroni, la cosiddetta “forza forte”.
Lo studio ha mostrato che è possibile ricavare informazioni preziosissime sulla disposizione spaziale dei neutroni utilizzando la diffusione coerente dei neutrini con i nuclei interi. Tale processo è stato predetto teoricamente più di 40 anni fa, ma è stato osservato sperimentalmente solo quest’anno dalla collaborazione internazionale COHERENT: un lavoro che gli è valsa la pubblicazione sulla prestigiosa rivista Science.
E’ grazie all’analisi statistica di questi dati sperimentali che il dottor Cadeddu e i collaboratori sono riusciti ad estrarre il raggio delle distribuzione dei nuclei di Cesio e di Iodio, mostrando per la prima volta che tale raggio è pari a circa 5.5 femtometri (5.5 milionesimi di miliardesimo di metro) e mostrando alla comunità scientifica un nuovo metodo con cui misurare importanti parametri nucleari, che è meno dipendente dal modello usato, aprendo di fatto ad un filone di ricerca nuovo ancora da esplorare.
Il risultato è in qualche modo inatteso perchè il raggio trovato risulta più grande di quello predetto dalla maggior parte dei modelli nucleari teorici, indicando quindi una leggera anomalia. Sfortunatamente le incertezze sperimentali di COHERENT sono ancora grandi per dare una risposta conclusiva, che potrà essere data aggiornando l’analisi a seguito dei nuovi dati sperimentali attesi nei prossimi mesi.
Quest’importante studio ha delle ovvie implicazioni nella comprensione dei modelli nucleari con ripercussioni in moltissimi campi dalla fisica che vanno dalla fisica delle stelle di neutroni alla fisica degli ioni pesanti fatta al CERN di Ginevra.
La diffusione coerente di neutrini purtroppo non rappresenta solamente una via per sondare i nuclei, ma rappresenta anche un fondo ineliminabile per la ricerca diretta della materia oscura. Ricerca attualmente svolta ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso e che verrà portata avanti dall’esperimento DarkSide-20k. Progetto coordinato localmente dal prof. Alberto Devoto per cui molti ricercatori dell’Università e dell’INFN di Cagliari collaborano su molti fronti, dalla parte teorica a quella sperimentale, passando per il progetto collegato dal nome ARIA, un’altissima colonna di distillazione in costruzione nelle miniere di Seruci che servirà per la separazione isotopica del prezioso materiale che riempirà il rivelatore di DarkSide, l’argon.
Questo studio quindi conduce ad una maggiore comprensione di questo fondo che consentirà di ottenere una rivelazione della materia oscura sempre più precisa e accurata.