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L’isotopo più importante per l’origine della vita

E’ a tutti noto che sin dalla sua nascita, l’Universo si sta espandendo e continua ad evolversi formando strutture sempre più complesse a partire dalle particelle elementari. Oggi, un gruppo di fisici teorici hanno ottenuto nuovi indizi in merito ad una reazione nucleare che risulta di fondamentale importanza per l’origine della vita come noi la conosciamo.

Noto come processo 3-alpha, questa reazione nucleare è responsabile dell’abbondanza dell’elemento carbonio presente nell’Universo. Per diversi anni, il meccanismo fisico mediante il quale le stelle emettono luce è stato compreso attraverso un processo a due fasi. Di recente, alcuni fisici hanno rivisto questo processo per analizzare il meccanismo più da vicino dietro il quale si cela la presenza dell’isotopo più importante per la vita: il carbonio-12. In particolare, gli scienziati si sono trovati ad affrontare un problema relativo al tasso di produzione del carbonio-12 a basse temperature. I calcoli che sono stati ottenuti in precedenza dal gruppo di ricercatori guidato da Kazuyuki Ogata, un professore di fisica nucleare della Kyushu University in Fukuoka nel Giappone, indicano che le stelle evolvono così rapidamente che non riescono a raggiungere la fase di gigante rossa. Ma questo, di fatto, non è vero in quanto lo spazio è pieno di numerosissime stelle che si trovano in questa fase avanzata dell’evoluzione stellare. Dunque c’è un problema probabilmente associato ai metodi utilizzati. Sappiamo che il carbonio è il quarto elemento più abbondante nell’Universo e l’isotopo carbonio-12 è la sua forma più comune. Caratterizzato da 6 protoni e 6 neutroni, questo nucleo molto semplice rappresenta la base di tutta la vita, almeno come noi la conosciamo. Tuttavia, i processi che determinano la formazione di questo isotopo e la sua abbondanza non sono così semplici. Di fatto, una frazione di secondo dopo il Big Bang, i quark e i gluoni si unirono per formare protoni e neutroni. Appena tre minuti più tardi, apparvero i primi nuclei di idrogeno e di elio. Ma deve passare almeno un milione di anni prima che gli elettroni formino atomi neutri e circa duecento milioni di anni affinchè appaiano le prime stelle. All’interno del calderone stellare, i protoni iniziarono a combinarsi in nuclei di elio attraverso una sequenza di reazioni nucleari. Dopo, però, tali processi nucleari ebbero un periodo di arresto. Ad esempio, se aggiungiamo un singolo protone all’atomo di elio, otteniamo litio-5, un isotopo che non esiste in natura. Se due nuclei di elio fondono, si ottiene berillio-8, un altro nucleo che non esiste in accordo alle leggi della fisica nucleare. Chiaramente, le stelle continuarono la loro evoluzione, creando tutti gli elementi possibili che vediamo oggi. Ma allora la domanda è: come è possibile? Questo puzzle ha tenuto impegnati gli scienziati per diversi anni perché se non siamo in grado di spiegare l’abbondanza di carbonio-12, diventa quasi impossibile spiegare come si sia formato l’Universo. La risposta deriva dalla reazione 3-alpha che coinvolge tre nuclei di elio. Nonostante il berillio-8 decada dopo qualche nanosecondo, nel caso in cui la stella sia abbastanza calda, una terza particella alpha si fonde con questo isotopo. E dato che l’energia di un nucleo di berillio-8 sommata all’energia di una particella alpha è quasi equivalente a quella dell’isotopo di carbonio-12, si crea una risonanza del processo nucleare che causa un incremento al tasso di produzione del carbonio-12. Tuttavia, c’è un altro modo per cui le stelle sono in grado di produrre carbonio-12. A basse temperature, quando l’energia non è ancora sufficiente per dar luogo al processo di risonanza, l’isotopo carbonio-12 può essere prodotto attraverso la fusione simultanea di tre particelle alpha. Il gruppo di Kyushu è stato così in grado di ottenere previsioni teoriche più adeguate del tasso di produzione del carbonio-12 che sono in accordo con i modelli precedenti nel caso di temperature elevate. A temperature più basse, i loro risultati suggeriscono un incremento del tasso di produzione del carbonio-12 pari a circa 10 trilioni di volte maggiore rispetto alle stime precedenti. Insomma, i nuovi calcoli permettono ancora l’esistenza delle stelle giganti che sono quindi salve. Ora si spera che in futuro queste previsioni possano fornire nuovi scenari che riguardano alcuni problemi astrofisici ancora irrisolti e che riguardano le stelle novae e le supernovae.

ArXiv: Low-Temperature Triple-Alpha Rate in a Full Three-Body Nuclear Model

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L’origine della massa ‘visibile’: la connessione quark-gluoni

Dopo i recenti fatti accaduti al CERN e quello che hanno scritto i media e i blog scientifici possiamo senz’altro affermare che sappiamo ormai tutto su come si origina la massa delle particelle. Infatti, i fisici che lavorano agli esperimenti di LHC hanno presentato i risultati degli esperimenti degli ultimi due anni che suggeriscono l’esistenza di una particella che ha tutte le caratteristiche consistenti con il bosone di Higgs, responsabile del meccanismo che dà origine alla massa (vedasi questo post). Ora, mentre il bosone di Higgs può essere responsabile della massa di alcune particelle fondamentali, i quark presi da soli non tengono conto della maggior parte della materia visibile nell’Universo.

Per capire cosa tiene insieme queste forme visibili della materia, dalle stelle ai pianeti fino agli esseri umani, dobbiamo capire come interagiscono i quark e i gluoni. Si tratta del tema principale che è stato di recente presentato al congresso Quark Matter 2012. “Stiamo studiando il 99% della massa visibile nell’Universo e che non è spiegata dal bosone di Higgs” spiega Peter Steinberg del Department of Energy’s presso il Brookhaven National Laboratory. La materia visibile è composta da atomi la cui massa deriva dai protoni e dai neutroni che costituiscono il nucleo atomico. Gli elettroni che orbitano attorno al nucleo non contribuiscono praticamente a nulla. I protoni assieme ai neutroni sono composti da una tripletta di quark e sono molto più massicci rispetto alla somma delle masse dei singoli costituenti. Ma allora da dove proviene tutto questo eccesso di massa? I fisici credono che la risposta sia data dal modo con cui i quark interagiscono attraverso i gluoni, particelle senza massa che tengono insieme i quark attraverso la forza nucleare forte. Per capirne di più, i fisici devono creare le condizioni estreme che erano presenti durante le fasi iniziali della storia dell’Universo attraverso la collisione di particelle ad alta energia in modo da osservare i quark allo stato libero prima che essi possano unirsi per formare protoni e neutroni. Studiare così il comportamento dei quark “liberi” e dei gluoni nel cosiddetto plasma quark-gluoni permette agli scienziati di avere maggiori informazioni sulla natura della forza nucleare forte e come essa genera gran parte della massa che noi vediamo nel momento in cui le particelle si uniscono per formare la materia ordinaria. Dunque, mentre la materia visibile tiene conto solo di una mera frazione della massa totale dell’Universo, appena il 4%, il resto, composto essenzialmente da materia scura e da energia scura, è già abbastanza per tenere impegnati i fisici nella loro ricerca verso la comprensione dei due più grandi enigmi della moderna cosmologia (vedasi Enigmi Astrofisici).

Maggiori info: Highlights of key findings presented at Quark Matter 2012