Immagini delle forme dei nuclei atomici nelle collisioni ad alta energia

I nuclei atomici sono sistemi quantistici complessi, auto-organizzati e legati dalle forze nucleari, che si trovano all'interno di uno spazio estremamente ridotto, nell'ordine dei femtometri. Studiarne la struttura e la forma rappresenta una sfida affascinante per la fisica nucleare, soprattutto a causa delle fluttuazioni quantistiche che ne impediscono un'osservazione diretta. Recentemente, grazie a nuove tecniche basate sulle collisioni nucleari ad altissima energia, è stato possibile ottenere una vera e propria "immagine" della distribuzione spaziale di questi nuclei.

Metodologia delle collisioni

La tecnica sviluppata, nota come imaging delle forme nucleari tramite flusso collettivo, utilizza collisioni tra nuclei ad alta velocità relativistica per catturare un'istantanea della loro struttura. Durante queste collisioni, i nuclei vengono distrutti e formano un plasma di quark e gluoni (QGP), una materia estremamente calda e densa composta da quark e gluoni. Questo processo di espansione del QGP imprime informazioni sulla distribuzione spaziale originale del nucleo, permettendo di ottenere un'analisi dettagliata della sua forma.
Le collisioni tra nuclei avvengono in due configurazioni principali: body-body (corpo-corpo), in cui i nuclei collidono lungo il loro asse maggiore, e tip-tip (punta-punta), in cui l'impatto avviene lungo l'asse minore. Queste diverse configurazioni influenzano il gradiente di pressione del QGP risultante, che si espande in modo diverso a seconda della geometria del nucleo coinvolto nella collisione.

Risultati principali

Utilizzando questa tecnica, i ricercatori hanno analizzato collisioni tra nuclei di uranio-238 e di oro-197, noti per avere forme distinte. L'uranio-238 è caratterizzato da una forma prolata, cioè allungata lungo un asse, mentre l'oro-197 ha una forma oblata, più schiacciata. I risultati hanno mostrato che l'uranio presenta una deformazione significativa, con una leggera deviazione dalla simmetria assiale, il che indica la presenza di una componente triaxiale (tre assi di diversa lunghezza).
La forma del QGP iniziale può essere descritta mediante l'eccentricità del nucleo e la fluttuazione degli assi principali. In particolare, l'espansione del QGP è fortemente influenzata da queste caratteristiche, che si riflettono nella distribuzione angolare delle particelle prodotte nelle collisioni. L'analisi ha rivelato che la configurazione body-body genera una distribuzione di particelle con maggiore eccentricità, mentre la configurazione tip-tip produce un'espansione più rapida ma più simmetrica.

Evoluzione energetica delle forme

Uno degli aspetti più interessanti è il confronto tra le forme osservate in collisioni ad alta energia e quelle dedotte da esperimenti a bassa energia. Le collisioni ad alta energia non solo sondano la struttura del nucleo a livello dei nucleoni (protoni e neutroni), ma permettono anche di indagare correlazioni sub-nucleoniche, come quelle tra quark e gluoni. Questo approccio permette di ottenere una visione più dettagliata della struttura interna del nucleo, che potrebbe differire dalle forme osservate a basse energie.

Applicazioni future

Il metodo di imaging tramite flusso collettivo rappresenta un promettente strumento per esplorare la struttura dei nuclei atomici nel loro stato fondamentale. Le possibili applicazioni di questa tecnica includono:

• L'analisi di nuclei con massa dispari, che hanno una struttura più complessa rispetto ai nuclei con numero di protoni e neutroni pari.

• Lo studio delle deformazioni ottupolari e esadecapolari, meno comuni ma comunque rilevanti per la comprensione della struttura nucleare.

• La caratterizzazione delle fluttuazioni dinamiche in nuclei "morbidi", cioè con forme instabili o transienti.

• La riduzione delle incertezze sui decadimenti beta senza neutrini (0νββ), fenomeno la cui probabilità di verificarsi dipende fortemente dalla conoscenza precisa delle forme nucleari iniziali e finali.

Conclusioni

La tecnica di imaging delle forme nucleari nelle collisioni ad alta energia rappresenta una svolta nel campo della fisica nucleare. Non solo offre una nuova metodologia per l'osservazione diretta della forma dei nuclei, ma apre anche nuove possibilità per lo studio delle proprietà del QGP e delle condizioni iniziali nelle collisioni nucleari. Questa ricerca fornisce un contributo significativo alla comprensione della struttura nucleare e del comportamento della materia nelle condizioni estreme tipiche delle collisioni ad alta energia.
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