Per la prima volta in assoluto, un gruppo di ricercatori è riuscito a filmare il movimento degli atomi nell’istante che precede un processo di decadimento innescato da radiazione. E quello che hanno scoperto ribalta parecchie aspettative. Niente atomi fermi e composti, niente scena statica. Quello che emerge da questo film atomico è un quadro vivace, quasi caotico, in cui le particelle si spostano, si riorganizzano e influenzano direttamente tempi e modalità del decadimento. Lo studio, pubblicato sul Journal of the American Chemical Society nel marzo 2026, arriva dal Dipartimento di Fisica Molecolare del Fritz Haber Institute della Max Planck Society, in collaborazione con diversi gruppi internazionali. E potrebbe cambiare il modo in cui si comprende il danno da radiazione sulla materia biologica.

Al centro della ricerca c’è un processo chiamato decadimento mediato da trasferimento elettronico (ETMD, dall’inglese Electron Transfer Mediated Decay). Funziona così: una radiazione ad alta energia, come i raggi X, eccita un atomo. Quell’atomo si stabilizza prelevando un elettrone da un vicino, e l’energia rilasciata ionizza un terzo atomo nelle vicinanze. Il meccanismo è particolarmente rilevante perché genera elettroni a bassa energia, capaci di provocare danni chimici nei liquidi e nei tessuti biologici. Capire come si comportano gli atomi durante questo processo è fondamentale per costruire modelli affidabili degli effetti della radiazione sull’organismo umano.

Come si filma il movimento degli atomi

Per osservare tutto questo, il team ha usato un sistema modello relativamente semplice: un trimero composto da un atomo di neon legato debolmente a due atomi di kripton (NeKr2). Dopo aver espulso un elettrone dal neon con raggi X morbidi, gli scienziati hanno seguito l’evoluzione del sistema per un tempo che arriva fino a un picosecondo, un intervallo lunghissimo su scala atomica. Grazie a un sofisticato microscopio di reazione COLTRIMS, utilizzato presso i sincrotroni BESSY II a Berlino e PETRA III ad Amburgo, è stato possibile ricostruire la disposizione esatta degli atomi nel momento del decadimento. A questi dati sperimentali sono state affiancate simulazioni teoriche ab initio, che hanno tracciato migliaia di possibili traiettorie atomiche calcolando la probabilità di decadimento lungo ciascuna.

Il risultato è stato sorprendente. Gli atomi non restano fermi. Si muovono in uno schema vagante, cambiano continuamente posizione e ridisegnano la struttura del sistema. Questo movimento condiziona in modo diretto sia la tempistica sia l’esito del decadimento. Come ha spiegato Florian Trinter, uno degli autori principali: il decadimento non è soltanto un processo elettronico, ma viene guidato dal moto nucleare in modo molto diretto e intuitivo.

Perché questa scoperta conta davvero

Nelle fasi iniziali, il decadimento avviene vicino alla configurazione originale. Col passare del tempo, un atomo di kripton si avvicina al neon mentre l’altro si allontana, creando condizioni favorevoli al trasferimento elettronico. In stadi ancora successivi, gli atomi assumono geometrie distorte e allungate, frutto di un moto oscillante. La velocità del decadimento varia enormemente a seconda della geometria del momento. Till Jahnke, autore senior dello studio, ha sottolineato che il moto nucleare non rappresenta una correzione marginale, ma controlla in modo fondamentale l’efficienza del decadimento elettronico non locale.

Questo tipo di conoscenza è essenziale. L’ETMD produce elettroni a bassa energia che possono innescare reazioni chimiche dannose nell’acqua e nei sistemi biologici. Sapere come il processo dipende dalla disposizione e dal movimento degli atomi aiuta a costruire modelli più precisi del danno da radiazione in ambienti biologici reali. Il sistema studiato, per quanto semplice, fornisce un punto di riferimento solido per estendere queste intuizioni a strutture più complesse: liquidi, ioni solvatati, molecole biologiche. Gli autori parlano di una porta aperta verso l’imaging di dinamiche ultraveloci nella materia debolmente legata, con un livello di dettaglio mai raggiunto prima. E non sembra un’esagerazione.

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Per capire come nasce l’oro bisogna guardare lontano, molto lontano. Bisogna guardare dove le stelle collassano, esplodono e si scontrano tra loro, generando condizioni così estreme da far sembrare qualsiasi laboratorio terrestre un giocattolo. Eppure, nonostante decenni di ricerca, i passaggi nucleari che portano alla formazione dell’oro e di altri elementi pesanti restavano in gran parte avvolti nel mistero. Fino ad oggi, quando un gruppo di fisici nucleari dell’Università del Tennessee ha pubblicato uno studio che cambia le carte in tavola, con ben tre scoperte concentrate in un’unica ricerca.

Il punto centrale riguarda il cosiddetto processo di cattura rapida dei neutroni, noto anche come r-process. È la reazione a catena che, durante eventi cosmici violentissimi, porta alla formazione di elementi come oro, platino e altri metalli preziosi. Funziona così: un nucleo atomico assorbe neutroni a velocità impressionante, diventa sempre più pesante e instabile, e alla fine si spezza in forme più leggere e stabili. Il problema è che i nuclei coinvolti in queste reazioni sono talmente rari e instabili che studiarli direttamente in laboratorio è quasi impossibile.

Tre scoperte in un colpo solo grazie all’ISOLDE del CERN

Il team, guidato dal professor Robert Grzywacz e composto da ricercatori e dottorandi tra cui Peter Dyszel e Jacob Gouge, ha lavorato presso la struttura ISOLDE del CERN, utilizzando grandi quantità dell’isotopo indio 134. Roba che non si trova dietro l’angolo: servono tecnologie avanzatissime anche solo per produrne a sufficienza. Con tecniche di separazione laser e un rilevatore di neutroni costruito appositamente all’Università del Tennessee, il gruppo ha ottenuto risultati che nessuno era mai riuscito a raggiungere prima.

La scoperta più importante? La prima misurazione delle energie dei neutroni associata all’emissione ritardata di due neutroni dopo il decadimento beta. Sembra una frase da manuale, ma il concetto è questo: quando un nucleo instabile si trasforma, può “sputare fuori” uno o due neutroni. Capire quanta energia serve e come avviene è fondamentale per ricostruire il percorso che porta alla creazione dell’oro e degli altri elementi pesanti. “L’emissione di due neutroni è la vera svolta”, ha dichiarato Grzywacz. In passato nessuno era riuscito a misurare le energie coinvolte, e questo apre letteralmente un campo di ricerca nuovo.

La seconda scoperta riguarda uno stato neutronico dello stagno 133 che i fisici cercavano da vent’anni. Il nucleo di stagno, dopo il decadimento, si trova in uno stato eccitato e deve raffreddarsi rilasciando neutroni. Ma non lo fa sempre come previsto dai modelli teorici. Il nucleo conserva una sorta di “memoria” della sua origine, una traccia del nucleo di indio da cui proviene. “Lo stagno non dimentica”, ha spiegato Grzywacz con un’immagine efficace.

Modelli da rivedere e nuove strade per la fisica nucleare

La terza scoperta mette in discussione i modelli teorici esistenti. I ricercatori hanno osservato che il modo in cui questo nuovo stato viene popolato durante il decadimento non segue i pattern statistici attesi. In parole più semplici: la natura si comporta in modo diverso da come i fisici pensavano, almeno in questa regione estrema della carta dei nuclidi. E questo è un segnale importante, perché suggerisce che man mano che ci si spinge verso nuclei sempre più esotici, come il tennessino, serviranno approcci teorici completamente nuovi.

Questi risultati non sono solo esercizi accademici. Ogni passo avanti nella comprensione del processo di cattura rapida dei neutroni migliora la capacità di ricostruire come le esplosioni stellari forgiano gli elementi pesanti, compreso quell’oro che poi, miliardi di anni dopo, finisce nelle vetrine delle gioiellerie. Tutto parte da lì, da nuclei instabili che esistono per frazioni di secondo in mezzo al caos cosmico. E adesso, per la prima volta, qualcuno è riuscito a osservarli con una precisione senza precedenti.

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