HIAF, il primo risultato scientifico: identificati 10 ioni di afnio-153 ai confini della stabilità nucleare

Il nuovo acceleratore cinese HIAF ha prodotto e identificato l’afnio-153 (^153Hf), un isotopo estremamente raro e povero di neutroni. Gli scienziati hanno osservato appena 10 ioni, ma il risultato è già significativo: dimostra che l’impianto può raggiungere nuclei rari situati vicino ai limiti della stabilità nucleare.

Il primo risultato di HIAF

HIAF, acronimo di High Intensity heavy-ion Accelerator Facility, si trova a Huizhou, nella provincia del Guangdong, in Cina. L’impianto ha iniziato le operazioni di prova il 21 luglio 2026 ed è progettato per produrre, separare e misurare con grande precisione nuclei radioattivi rari. L’obiettivo è contribuire a tracciare il confine oltre il quale i nuclei atomici diventano instabili e non possono più esistere.

Lo studio è stato guidato dall’Istituto di fisica moderna dell’Accademia cinese delle scienze. Al lavoro hanno partecipato anche l’Università dell’Accademia cinese delle scienze, il centro di ricerca tedesco GSI Helmholtz per la ricerca sugli ioni pesanti, l’Università di Colonia, la East China University of Technology e l’Advanced Energy Science and Technology Guangdong Laboratory. Il risultato è stato pubblicato come breve comunicazione su Science Bulletin.

Perché l’afnio-153 è importante

L’afnio-153 appartiene alla regione dei nuclei pesanti poveri di neutroni, dove l’equilibrio tra protoni e neutroni diventa particolarmente difficile da mantenere. Prima di questo esperimento, l’isotopo non era stato riportato. Dimostrarne l’esistenza e misurarne la massa aggiunge quindi un nuovo punto di riferimento per verificare i modelli delle masse nucleari e studiare l’evoluzione della struttura dei nuclei verso il margine della stabilità.

La misurazione indica che ^153Hf è un nucleo legato o debolmente legato, in accordo con le previsioni di diversi modelli della massa nucleare. Questo accordo non risolve ogni interrogativo sull’isotopo, ma rappresenta un importante controllo sperimentale per le teorie utilizzate nel prevedere nuclei difficili, o per ora impossibili, da osservare direttamente.

Come è stato prodotto e identificato

L’esperimento è iniziato con un fascio di bismuto-209 accelerato fino a 836,66 MeV per nucleone nell’anello Booster di HIAF. Il fascio ha colpito un bersaglio di grafite, provocando reazioni di frammentazione del proiettile e generando una miscela di nuclei radioattivi.

A quel punto, la miscela doveva essere filtrata e analizzata. La linea HIRIBL per fasci di ioni radioattivi ad alta energia ha separato e trasportato i prodotti della reazione fino a SRing, l’anello di accumulazione e spettrometria. I rivelatori del tempo di volo hanno aiutato a distinguere i candidati, mentre la spettrometria di massa isocrona ha fornito la precisione necessaria per identificare l’afnio-153. In totale sono stati registrati 10 ioni di ^153Hf.

La difficoltà non consisteva soltanto nel produrre l’afnio-153, ma anche nel riconoscerlo in mezzo a una quantità molto maggiore di prodotti più comuni. La sua sezione d’urto di produzione è stata stimata nell’ordine dei picobarn, un valore che indica quanto raramente l’isotopo venga creato. Per arrivare a un’identificazione attendibile è stato necessario far lavorare insieme il fascio primario ad alta intensità, la separazione ad alta risoluzione dei frammenti e una spettrometria di massa sensibile al singolo ione.

La conferma indipendente di RIKEN

Quasi nello stesso periodo, i ricercatori della Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF) del centro RIKEN, in Giappone, hanno riferito indipendentemente di aver osservato ^153Hf. Le due osservazioni si rafforzano a vicenda e riducono l’incertezza che può accompagnare un risultato basato su un numero così esiguo di ioni.

Una conferma indipendente è particolarmente preziosa quando un nucleo viene prodotto a ritmi estremamente bassi. In questo caso, la convergenza dei risultati ottenuti da HIAF e RIBF offre una base più solida per confrontare l’afnio-153 con le previsioni della teoria nucleare.

Cosa dimostra il risultato sulle capacità di HIAF

La scoperta non rappresenta il punto d’arrivo del programma scientifico di HIAF, ma una prima dimostrazione delle prestazioni dell’impianto. Mostra che acceleratore, trasporto dei fasci radioattivi, separazione dei frammenti e misurazione di precisione della massa possono essere coordinati per studiare nuclei estremamente rari e di breve durata.

Con l’aumento dell’intensità dei fasci e dell’efficienza sperimentale, la capacità di esplorazione dell’impianto dovrebbe crescere di circa due ordini di grandezza. Questo potrebbe rendere possibile la scoperta di altri isotopi, verifiche più stringenti dei modelli delle masse nucleari e misure delle proprietà dei nuclei in condizioni di squilibrio ancora più marcato tra protoni e neutroni.

L’afnio-153 è quindi importante per due motivi: è un nucleo nuovo e straordinariamente difficile da produrre e identificare, ma è anche una prova concreta che HIAF è pronto a esplorare le regioni meno conosciute della carta dei nuclei.