A dispetto di come siamo soliti raffigurarci il mondo atomico, la struttura interna di nuclei pesanti in cui il numero di neutroni eccede quello dei protoni, come ad esempio il piombo, ci apparirebbe costituita da un agglomerato interno di protoni e neutroni circondato da un “guscio” uniforme composto dai neutroni in eccesso. L’esistenza di questa “pelle” di neutroni è stata recentemente confermata grazie a una misura effettuata dai ricercatori della collaborazione PREX-II, esperimento ospitato al Jefferson Lab, centro di ricerca statunitense dedicato alla fisica delle particelle con sede a Newport News, in Virginia, che vede tra i suoi membri l’INFN. Lo studio ha inoltre dimostrato come, nei nuclei di piombo 208, il più diffuso e stabile isotopo di questo elemento, lo spessore dello strato esterno di neutroni sia superiore rispetto a quanto finora ipotizzato. Pubblicato il 28 aprile sulla rivista Physical Review Letters, il risultato, oltre a fare luce sulla distribuzione dei costituenti subatomici del piombo, da cui dipendono le sue proprietà, ha importanti implicazioni in ambito astrofisico, contribuendo a rendere più accurate le equazioni di stato che descrivono le stelle di neutroni, e migliorando la comprensione dei processi fisici che hanno luogo quando si fondono.
I dati raccolti da PREX-II hanno consentito di misurare con inedita precisione lo spessore della pelle di neutroni, definita dal punto di vista quantitativo come la differenza tra il raggio della distribuzione dei neutroni e il raggio della distribuzione dei protoni. Questa peculiare configurazione dei neutroni negli elementi più pesanti della tavola periodica è il risultato dell’azione delle forze che agiscono all’interno dei nuclei atomici, che tendono, in maniera contrastante, a minimizzare la superficie di questi ultimi (tensione superficiale) e a spingere verso l’esterno i neutroni in eccesso per bilanciare l’energia necessaria a mantenere coesi i nuclei stessi (energia di simmetria). “La pelle di neutroni – spiega Guido Maria Urciuoli, co-portavoce dell’esperimento PREX-II e ricercatore della sezione INFN di Roma – è determinata dall’equilibrio tra la tensione superficiale e la differenza tra i valori dell’energia di simmetria all’interno e alla superficie nel nucleo. Questa differenza è la cosiddetta ‘pressione di simmetria’, responsabile dello spostamento dei neutroni verso l’esterno del nucleo”.
Il risultato della collaborazione PREX-II è di notevole importanza anche per l’astrofisica perché fornisce preziose indicazioni per comprendere meglio le caratteristiche delle stelle di neutroni, il cui raggio è determinato proprio dalla pressione di simmetria, responsabile della pelle di neutroni nei nuclei del piombo. La misura di questa grandezza fisica consentirà inoltre di descrivere con maggiore precisione anche le deformazioni a cui una stella di neutroni è soggetta per effetto del campo gravitazionale indotto da un’altra stella, nei fenomeni di fusione di questi corpi celesti.
“L’INFN, – conclude Urciuoli – ha fornito un importante contributo all’esperimento, collaborando alla progettazione di alcuni degli elementi che compongono gli spettrometri magnetici ad alta risoluzione con cui sono stati rivelati gli elettroni diffusi dai nuclei di piombo, e partecipando attivamente alla conduzione dell’intero esperimento”.
