Mistero di 50 anni risolto: il «gamma bump» della fissione nucleare spiegato al GANIL

Come è stato condotto l’esperimento

Il team ha bombardato un bersaglio di berillio‑9 con un fascio di ioni di uranio‑238, creando nuclei di curio‑247 che fissionano. Per catturare sia l’identità di ciascun frammento di fissione sia la sua emissione di raggi gamma, hanno accoppiato lo spettrometro magnetico VAMOS++ – che identifica massa e carica di ogni frammento – con il rivelatore di raggi gamma PARIS. Ciò ha permesso l’identificazione simultanea, evento per evento, di ogni frammento e del suo spettro gamma ad alta energia .

Cosa hanno scoperto

Studi precedenti potevano misurare il gamma bump solo da sorgenti miste o da singoli isotopi. Questo esperimento è il primo a fornire l’identificazione isotopica dell’eccesso in molti frammenti di fissione ricchi di neutroni in una singola misurazione . I dati mostrano che l’intensità del gamma bump varia significativamente da isotopo a isotopo, dipendendo dall’eccesso di neutroni e dalla struttura a guscio vicino al nucleo doppiamente magico stagno‑132 .

L’origine fisica: la risonanza di dipolo pigmeo

I calcoli teorici indicano che almeno una parte dell’eccesso è originata dalla risonanza di dipolo pigmeo (PDR) – un modo di dipolo «morbido» in cui lo strato esterno ricco di neutroni (pelle neutronica) oscilla contro il nucleo ricco di protoni . L’intensità della PDR si colloca al di sotto della risonanza di dipolo gigante ed è particolarmente pronunciata nei nuclei lontani dalla valle di stabilità . Questa connessione offre un accesso sperimentale diretto alle proprietà della PDR in nuclei a vita breve e ricchi di neutroni, che non possono essere studiati con le tradizionali reazioni indotte da fotoni o particelle .

Implicazioni per la modellistica dei reattori nucleari

Il gamma bump contribuisce in modo non trascurabile all’emissione di fotoni ad alta energia nella fissione. I calcoli dei reattori per il deposito di calore, il riscaldamento gamma nei materiali strutturali e la progettazione delle schermature si basano su spettri gamma accurati provenienti dalla fissione . La nuova mappatura isotopica fornisce una base più solida dal punto di vista fisico per la componente di raggi gamma nelle librerie di dati nucleari valutati, migliorando potenzialmente le simulazioni di fisica dei reattori e i margini di sicurezza .

Un nuovo strumento per lo studio dei nuclei esotici

L’esperimento dimostra che le reazioni di fissione possono servire come strumento versatile per popolare simultaneamente molti nuclei ricchi di neutroni e studiare la loro PDR attraverso il decadimento gamma . Questo approccio apre un nuovo canale per investigare lo spessore della pelle neutronica, il comportamento dell’energia di simmetria e le eccitazioni di dipolo collettivo nei nuclei esotici – grandezze importanti anche per comprendere la crosta delle stelle di neutroni e il percorso della nucleosintesi di tipo r .

Cautele e prossimi passi

I risultati pubblicati provengono da un singolo esperimento e l’attribuzione teorica alla PDR si basa sul confronto con calcoli di struttura nucleare. Sebbene le prove siano solide, sono necessari ulteriori esperimenti su diversi sistemi di fissione e misurazioni dirette (γ,γ′) sugli stessi isotopi per confermare l’esatta frazione di PDR del bump ed escludere altri contributi, come la coda statistica della risonanza di dipolo gigante o le transizioni M1 .