I laser potrebbero sintetizzare gli elementi pesanti prodotti nelle fusioni di stelle di neutroni? – Mondo della fisica

Un processo astrofisico che crea elementi più pesanti del ferro potrebbe essere ancora più difficile da riprodurre in laboratorio di quanto si credesse in precedenza, ma non impossibile. Questa è la conclusione dei ricercatori del Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI) in Francia, i quali riferiscono che le condizioni di riproduzione tipicamente osservate durante le fusioni di stelle di neutroni richiederanno importanti miglioramenti sia alle fonti di protoni che a quelle di neutroni. Questa intuizione è cruciale, dicono, perché fornisce un quadro più realistico per gli sforzi futuri volti a replicare i processi stellari.

Molti elementi più pesanti del ferro si formano attraverso il cosiddetto r-processo, dove r si riferisce alla cattura rapida dei neutroni. Questo processo avviene quando due stelle di neutroni si fondono, creando un’abbondanza di neutroni liberi. In questi ambienti ricchi di neutroni, i nuclei atomici catturano i neutroni molto più rapidamente di quanto possano perderli tramite il decadimento beta (che si verifica quando un nucleo emette un elettrone o un positrone energetico, trasformando così uno dei suoi neutroni in un protone).

Gli scienziati credono che il r-processo è la fonte di circa la metà di tutti gli elementi pesanti presenti oggi nell'universo. Tuttavia, le condizioni esatte richieste per facilitare la cattura rapida dei neutroni non sono completamente comprese. Questo perché è estremamente difficile generare i flussi di neutroni ad altissima densità necessari per creare isotopi ricchi di neutroni in laboratorio.

Un sistema laser multi-petawatt di nuova generazione

La buona notizia è che le sorgenti di neutroni guidate dal laser (impulsi) potrebbero produrre i tipi di fasci di neutroni richiesti. Nell'approccio sviluppato da Vojtěch Horný e colleghi di LULI, un laser di questo tipo dirigerebbe prima impulsi di luce ultra intensi su un bersaglio solido. Ciò farebbe sì che gli ioni idrogeno provenienti da uno strato contaminante sulla superficie del bersaglio accelerino fino a una frazione significativa della velocità della luce, spiega Horný. Questi ioni idrogeno verrebbero quindi diretti verso un bersaglio secondario fatto di oro che fungerebbe sia da convertitore di neutroni che da bersaglio di cattura dei neutroni.

“A differenza del metodo tradizionale che accelera i deuteroni [ioni pesanti di idrogeno] per le reazioni di fusione in un convertitore a basso numero atomico (ad esempio, uno fatto di berillio) per rilasciare neutroni, il nostro approccio sfrutta un sistema laser multi-petawatt di nuova generazione per innescare un processo di spallazione più efficiente nei materiali ad alto numero atomico”, spiega Horný Mondo della fisica. “Qui, i protoni accelerati a energie nell’ordine delle centinaia di megaelettronvolt (MeV) colpiscono un nucleo pesante, rilasciando un numero maggiore di neutroni”.

Modi per aumentare la produzione di neutroni

Horný afferma che l'obiettivo di questo metodo, descritto in Revisione fisica C, è quello di aumentare significativamente la produzione di neutroni. Usando simulazioni numeriche, lui e i suoi colleghi hanno calcolato che i laser attualmente disponibili produrrebbero un numero trascurabile di isotopi ricchi di neutroni (definiti come quelli con almeno due neutroni in più rispetto al nucleo seme iniziale).

Tuttavia, un buon conteggio degli isotopi sarebbe comunque possibile se i neutroni venissero rallentati a energie molto basse (20 millielettronvolt, corrispondenti alla temperatura dell'idrogeno solido). Velocità così basse aumenterebbero la probabilità che i neutroni vengano catturati. Il laser dovrebbe inoltre essere pulsato ad una frequenza di 100 Hz per diverse ore.

Sono tutti impegni ambiziosi, ma Horný non si arrende. “Nonostante la consapevolezza che le attuali fonti di protoni e neutroni precludono l’osservazione a breve termine del r-processo tramite sorgenti di neutroni guidate dal laser, il nostro lavoro ha gettato basi importanti", afferma. Ci sono anche ragioni per sperare nel progresso tecnologico. Horný cita come esempio un processo in corso progetto presso la Colorado State University negli Stati Uniti, dove i ricercatori stanno costruendo due laser da 200 Joule, 100 femtosecondi e 100 Hz. Questo progetto, dice, “rappresenta un significativo passo avanti”.

L’intenso flusso di neutroni descritto dal team potrebbe avere altre applicazioni, aggiunge Horný. Questi includono la ricostruzione della composizione elementare di un materiale utilizzando la radiografia a risonanza neutronica veloce; attivazione rapida dei neutroni; e la terapia con neutroni veloci in medicina.

Il team LULI si sta ora preparando a fabbricare la sorgente laser proposta, con la speranza di raggiungere parametri neutronici da record utilizzando il Sistema laser Apollon. Horný, dal canto suo, si è trasferito al Infrastrutture leggere estreme-Fisica nucleare (ELI-NP) in Romania, dove il suo lavoro come ricercatore si concentrerà sul miglioramento dell’accelerazione di elettroni e ioni, nonché sulla generazione di radiazioni ad alta energia dalle interazioni laser-plasma. Il nuovo ruolo, dice, prevede l’esplorazione di varie fonti di particelle secondarie, compresi i neutroni.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/could-lasers-synthesize-heavy-elements-produced-in-neutron-star-mergers/