Nuovo isotopo superpesante rivela relazione complessa tra effetti quantistici e fissione

30 giugno 2025

articolo di Tejasri Gururaj, Phys.org

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a cura di Sadie Harley, recensito da Robert Egan

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In uno studio pubblicato su Physical Review Letters, gli scienziati del GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung hanno scoperto un nuovo isotopo superpesante, 257Sg (seaborgio), le proprietà del quale stanno fornendo nuovi spunti sulla stabilità nucleare e sulla fissione negli elementi più pesanti.

Gli elementi superpesanti esistono in un delicato equilibrio tra la forza nucleare attrattiva che tiene insieme protoni e neutroni e la forza elettromagnetica repulsiva che spinge i protoni positivamente caricati lontano.

Senza effetti quantici a guscio, analoghi ai gusci degli elettroni negli atomi, questi nuclei massivi si disgregherebbero in meno di un miliardesimo di secondo.

Phys.org ha parlato con i co-autori Dr. Pavol Mosat e Dr. J. Khuyagbaatar del GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Germania, riguardo al loro lavoro.

Lo studio rivela la nostra incompleta comprensione di come si comportino i nuclei atomici più estremi, con i risultati che suggeriscono che gli effetti quantici che impediscono ai nuclei superpesanti di disintegrarsi istantaneamente potrebbero agire in modo diverso rispetto a quanto precedentemente creduto.

Il team di ricerca internazionale ha usato il separatore di rinculo riempito di gas TASCA del GSI per creare il 257Sg attraverso reazioni di fusione tra nuclei di cromo-52 e piombo-206.

Hanno scoperto che il nuovo isotopo ha una vita di 12,6 millisecondi, più lunga del suo vicino ancor più pari 258Sg, e decade sia attraverso la fissione spontanea sia mediante emissione di particelle alfa.

Il percorso del decadimento alfa si è dimostrato particolarmente rivelatore. Quando il 257Sg emette una particella alfa, si trasforma in 253Rf (rutherfordio), che successivamente subisce fissione dopo appena 11 microsecondi.

Questa osservazione supporta recenti scoperte che hanno messo in discussione la comprensione tradizionale di come il momento angolare influisca sulla fissione. Mentre ci si aspettava che numeri quantici K più alti fornissero una maggiore resistenza alla fissione, i dati emergenti suggeriscono che questa relazione possa essere più complessa di quanto precedentemente creduto.

'Abbiamo studiato gli isotopi 257Sg e 253Rf e abbiamo scoperto che, in generale, i numeri quantici K ostacolano effettivamente la fissione,' ha dichiarato Mosat. 'Tuttavia, il valore assoluto degli ostacoli è ancora sconosciuto.'

Quello che forse è ancora più significativo è la scoperta del primo stato K-isomerico in un isotopo di seaborgio. Gli isomeri K sono configurazioni nucleari speciali con alto momento angolare che resistono alla fissione in modo molto più efficace rispetto agli stati nucleari ordinari.

Nel 259Sg, i ricercatori hanno rilevato un segnale di emissione di conversione elettronica che appare 40 microsecondi dopo la formazione nucleare, un forte indizio per uno stato K-isomerico che potrebbe essere stabile, contro la fissione, per centinaia di volte più a lungo dello stato fondamentale.

'Stati K isomerici sono già stati osservati in nuclei superpesanti come 252–257Rf e 270Ds,' ha notato Khuyagbaatar. 'Abbiamo osservato un K-isomerico esclusivamente in nuclei con 106 protoni, cioè negli isotopi di Sg per la prima volta.'

Questa scoperta colma una lacuna cruciale nella comprensione degli elementi superpesanti e potrebbe avere profonde implicazioni per i futuri sforzi di scoperta di nuovi elementi.

La scoperta arriva in un momento critico della ricerca sugli elementi superpesanti.

Gli scienziati hanno a lungo cercato la 'isola di stabilità' teorica, una regione in cui certi nuclei superpesanti potrebbero esistere per periodi prolungati a causa di effetti di guscio favorevoli. Tuttavia, i nuovi risultati suggeriscono che questo panorama potrebbe essere più complesso di quanto previsto.

'Potrebbe accadere che il nucleo superpesante, ad esempio, l'isotopo di un elemento non ancora scoperto, possa vivere meno di 1 μs [microsecondo],' ha spiegato Khuyagbaatar.

'In tal caso, la scoperta dell'elemento 120 si troverà probabilmente ad affrontare sfide di separazione e rilevamento. Tuttavia, se uno stato K-isomerico esiste in questo nucleo, potrebbe vivere più a lungo, come abbiamo dimostrato di recente con il 252Rf.'

I ricercatori stimano che il 256Sg, ancora non scoperto, potrebbe avere una emivita drasticamente più corta rispetto alle previsioni teoriche, potendo scendere dai previsti 6 microsecondi a soli un nanosecondo.

Una deviazione così significativa dalla stabilità rappresenterebbe un importante nuovo spunto nella fisica nucleare.

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L'ottenimento sperimentale richiedeva il superamento di significativi ostacoli tecnici. Lavorare con nuclei che esistono per soli millisecondi richiedeva sistemi di rilevamento straordinariamente veloci e tempistiche precise.

'Nel caso dei nuclei a breve vita, è molto importante avere un separatore di lunghezza relativamente breve e, più crucialmente, avere elettronica digitale veloce che possa separare i segnali di decadimento radioattivo fino a circa 100 ns,' ha spiegato Khuyagbaatar.

Il team ha sviluppato elettronica digitale specializzata presso il GSI che si è rivelata cruciale per molte scoperte di elementi superpesanti.

Il prossimo obiettivo del team è la sintesi del 256Sg per verificare se si verifica effettivamente la prevista drastica diminuzione della stabilità.

'In effetti, cercheremo di esplorare ulteriori casi di stati isomerici K a lunga vita nei nuclei superpesanti,' ha detto Mosat. 'Per quanto riguarda l'argomento attuale, il nostro piano più immediato sarà cercare di sintetizzare l'ignoto 256Sg.'

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Maggiori informazioni: P. Mosat et al, Indagando sugli Effetti di Guscio sulla Fissione: Il Nuovo Nucleo Superpesante 257Sg, Lettere di Revisione Fisica (2025). DOI: 10.1103/s7hr-y7zq

Informazioni sulla rivista: Lettere di Revisione Fisica

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