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25 Luglio 2007

A Legnaro, dove gli atomi radioattivi vengono “imbottigliati”

Immagine (con colori rielaborati) del campione di Francio (isotopo 210) intrappolato nella trappola magneto-ottica di Legnaro
Fonte: INFN

Diecimila atomi radioattivi di Francio 210. Tanti ne sono stati “intrappolati” il 12 luglio in una particolare bottiglia magnetica presso i Laboratori Nazionali di Legnaro dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Un risultato che, a oggi, non trova eguali in tutta Europa: finora, infatti, solo un analogo esperimento negli Stati Uniti era riuscito a catturare e isolare una certa quantità di questo elemento instabile. I ricercatori italiani, grazie all’acceleratore Tandem, hanno prima prodotto e isolato atomi di Francio 210, poi li hanno catturati con una trappola magneto-ottica ad alta efficienza che funziona con campi magnetici e laser. All’interno della trappola, utilizzata per il raffreddamento e il confinamento, è stata dunque creata una nube fredda di atomi di Francio 210 e misurata con grande precisione. La strumentazione di Legnaro, a Padova, è l’unica di questo tipo presente nel vecchio continente, anche se va precisato che in Olanda un gruppo di ricercatori ha in preparazione uno studio simile su altri elementi chimici.

Traprad, questo il nome dell’esperimento condotto per cinque anni con il supporto economico dell’Ente di ricerca e del Ministero dell’Università e Ricerca, rappresenta un successo a livello internazionale che permetterà di studiare con maggior dettaglio la fisica dei nuclei atomici e quindi investigare alcune proprietà fondamentali della struttura più intima del nostro universo. Attori principali della ricerca sono i Laboratori Nazionali di Legnaro, le Università di Ferrara, Pisa e Siena, e la Sezione di Ferrara dell’INFN.

Elemento chimico di numero atomico 87, il Francio rappresenta il più pesante dei metalli alcalini. In natura è presente con concentrazioni piuttosto basse, in particolare nei minerali dell’uranio e del torio. È il meno stabile di tutti gli elementi chimici. A causa del suo decadimento, si stima che in ogni istante esistano complessivamente solo circa 30 grammi di Francio sulla Terra. Così, fanno sapere dall’INFN, il campione di atomi di Francio 210 intrappolati ai Laboratori di Legnaro, rappresenta attualmente la più alta concentrazione di Francio sulla Terra.

Abbiamo parlato della recente sperimentazione con Roberto Calabrese, Professore di I fascia presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Ferrara, uno degli autori dello studio condotto presso i Laboratori Nazionali di Legnaro.

Partiamo dalla notizia: qual è la novità del vostro studio?
“Il giorno 12 luglio 2007 è stato intrappolato un campione di oltre 10 mila atomi di Francio 210, un risultato molto importante per la ricerca italiana. Il primo tentativo che abbiamo fatto, appena accese le strumentazioni, ci ha permesso di intrappolare 80 atomi. Poi, nell’arco di una sola giornata, siamo arrivati alla cifra di 10 mila. Va detto che ricerche di questo tipo vengono condotte sia con atomi stabili che con atomi instabili. Nel primo caso si tratta di esperimenti che utilizzano campioni di atomi molto freddi, con temperature vicinissime allo zero assoluto e vengono fatti in vari laboratori in tutto il mondo. In Italia, per esempio, si fanno a Ferrara, Firenze, Pisa e Siena. Gli stessi esperimenti con atomi radioattivi instabili, invece, sono più complicati perché bisogna predisporre un sistema che sia in grado di produrre questi atomi instabili, essenzialmente un acceleratore di particelle. Solo pochi laboratori al mondo sono in grado di produrre e intrappolare questi atomi. A Legnaro abbiamo un apparato che rappresenta l’unico in Europa attualmente funzionante. Ce ne sono altri due in preparazione, uno al laboratorio KVI di Fisica Nucleare presso Groningen, (Olanda) e un altro in Francia, al laboratorio Ganil (Caen)”.

Ci descrive la tecnica utilizzata per produrre gli isotopi del Francio 210?
“Per dirla in maniera semplice pensiamo a quello che volevano fare nel Medioevo gli alchimisti: trasformare il piombo in oro. Noi, invece, facciamo il contrario: prendiamo un fascio di ioni ossigeno, cioè atomi di ossigeno ionizzati, lo acceleriamo per poi mandarlo contro un bersaglio di oro ad alta temperatura. Il Francio 210 è allora il risultato di una reazione nucleare detta di fusione evaporazione: fusione perché fonde protoni e neutroni dell’oro e dell’ossigeno, evaporazione perché vengono emessi i neutroni in eccesso. Il Francio viene estratto dal bersaglio d’oro come fascio ionico e trasportato in un laboratorio laser dove viene neutralizzato e intrappolato. Noi quindi trasformiamo il fascio di ossigeno incidente e gli atomi di oro che sono nel bersaglio in Francio 210. Il laser, solitamente utilizzato in ambito industriale per scaldare la materia, viene usato in questo caso per raffreddare gli atomi di gas confinati in una cella di vetro, la trappola magneto-ottica. La tecnica è interessante perché a temperatura ambiente le molecole di un gas hanno una velocità che è superiore a quella dei jet supersonici, ovvero dell’ordine dei 500 metri al secondo. Tramite fasci laser si riduce la loro velocità fino a poche decine di centimetri al secondo. Gli atomi a questo punto sono quasi alla temperatura dello zero assoluto: solo un millesimo di Grado Kelvin superiore allo zero assoluto”.

Che applicazioni trova il vostro studio?
“Nel campo della Fisica atomica (spettroscopia laser ad alta risoluzione) e della fisica nucleare e subnucleare (determinazione dei raggi nucleari per vari isotopi, asimmetrie nei decadimenti alpha, studio delle interazioni deboli). Ma anche per studi di fisica fondamentale, essenzialmente lo studio del modello con cui la fisica contemporanea rappresenta la natura dell’universo, in gergo scientifico il Modello Standard. Esistono alcuni parametri che noi possiamo studiare facendo particolari misure di violazione di parità su questi campioni di atomi”.

Dall’esperimento statunitense, al vostro, passando per i test olandesi. Qual è l’attuale situazione sulle ricerche in questo campo?
“Il Francio è stato intrappolato per la prima volta da un gruppo guidato da due fisici statunitensi. Hanno condotto misure di spettroscopia ma ora vogliono trasferirsi a Vancouver perché qui c’è possibilità di produrre molti più atomi. Noi siamo partiti con i test anche se gli americani erano più avanti, perché dal punto di vista delle tecniche d’intrappolamento avevamo acquisito già una grande esperienza. Siamo andati su questa strada proprio perché pensavamo e pensiamo tuttora che dal punto di vista dell’efficienza d’intrappolamento possiamo fare molto meglio. Già in un solo giorno noi siamo riusciti ad avere le stesse loro efficienze. In particolare la trappola magneto-ottica con la più alta efficienza di intrappolamento presente in letteratura è nostra. E’ descritta in un articolo del 2003 pubblicato sulla rivista internazionale Physical Review. Per quanto riguarda gli olandesi, invece, va specificato che il loro gruppo di ricerca punterà a intrappolare altri atomi radioattivi, come per esempio il Sodio, per fare altre misure. La loro struttura è ancora in costruzione”.

Perché proprio il Francio 210?
“L’attenzione della comunità scientifica è concentrata sui metalli alcalini, in quanto le caratteristiche dei loro spettri atomici ne rendono più agevole l’intrappolamento e allo stesso tempo i modelli che ne descrivono la struttura hanno minori incertezze teoriche. Il Francio ha una proprietà particolare: essendo l’alcalino più pesante, con questo elemento l’effetto della violazione di parità come test del Modello Standard è più grande di un fattore 18 rispetto al Cesio, l’alcalino stabile più pesante, e quindi sarà più facile osservare eventuali violazioni rispetto alle previsioni teoriche”.

Ci sono esperimenti simili previsti in futuro, sempre con il Francio 210 o con altri elementi?
“Per prima cosa dovremo caratterizzare meglio la trappola e la sua efficienza con vari isotopi del Francio. Già il 12 luglio, per esempio, siamo riusciti ad intrappolare anche 300 atomi dell’isotopo Francio 209. Poi, per il futuro, faremo misure di spettroscopia atomica ad alta risoluzione e di fisica nucleare fondamentale. L’obiettivo finale sarà quello di effettuare misure di violazione di parità come test del Modello Standard: questa sarebbe una misura molto importante, un esperimento molto difficile che ancora non sappiamo se saremo in grado di fare”.