Una reazione cosmica che avviene nelle esplosioni delle stelle più violente dell’universo è stata riprodotta in laboratorio per la prima volta nella storia. Non parliamo di un esperimento qualunque, ma di qualcosa che gli astrofisici inseguivano da oltre sessant’anni. Un team internazionale di oltre 45 scienziati, guidato dalla ricercatrice Artemis Tsantiri presso il Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) della Michigan State University, è riuscito a misurare direttamente come l’arsenico 73 cattura un protone per formare il selenio 74, il più leggero tra i cosiddetti p-nuclei. I risultati, pubblicati su Physical Review Letters nell’aprile 2026, hanno dimezzato l’incertezza nei modelli che descrivono la produzione di questo isotopo. Eppure, la storia non finisce qui.

Per capire perché questo traguardo è così importante, bisogna fare un passo indietro. La maggior parte degli elementi più pesanti del ferro si forma attraverso processi di cattura neutronica, sia lenti che rapidi. Ma esiste un gruppo ristretto di isotopi, ricchi di protoni, che sfuggono completamente a questa logica. Sono i p-nuclei, e vanno dal selenio 74 fino al mercurio 196. La loro origine è rimasta un rompicapo per decenni. La spiegazione più accreditata chiama in causa il cosiddetto processo gamma, che si verifica durante certi tipi di esplosioni di supernova. Temperature infernali generano raggi gamma che strappano neutroni e altre particelle dai nuclei pesanti già esistenti, lasciando strutture con un eccesso di protoni. Col tempo, alcuni di questi nuclei trovano un nuovo equilibrio, e da lì nascono i p-nuclei.

Un fascio di isotopi rari per svelare i segreti delle supernove

Il problema, fino a oggi, era che molti degli isotopi coinvolti in questo processo vivono troppo poco per essere studiati in laboratorio. Gli scienziati dovevano affidarsi quasi esclusivamente a modelli teorici. Come ha spiegato Tsantiri stessa, nonostante oltre sessant’anni di studi, le misurazioni dirette su isotopi a vita breve erano praticamente inesistenti. Solo strutture come il FRIB rendono ora possibili esperimenti di questo tipo.

E infatti, per ricreare questa reazione stellare, il team ha generato un fascio di arsenico 73 utilizzando l’acceleratore ReA del FRIB, operato in una configurazione autonoma. Il fascio è stato diretto in una camera riempita di gas idrogeno, che fungeva da sorgente di protoni, posizionata al centro del rivelatore SuN. Il gruppo di radiochimica, guidato da Katharina Domnanich, ha preparato il materiale in una forma adatta all’esperimento. L’isotopo è stato poi ionizzato, accelerato e inviato sul bersaglio. Un lavoro di precisione enorme, che ha dimostrato la versatilità del ReA nello studio di isotopi rari.

Modelli più precisi, ma il mistero non è ancora risolto

Quando l’arsenico 73 cattura un protone, si trasforma in selenio 74 in uno stato eccitato, per poi rilasciare un raggio gamma e raggiungere la stabilità. Misurando questa reazione diretta, i ricercatori hanno potuto calcolare la velocità del processo inverso, quello che avviene realmente nelle stelle. Per determinare quanto selenio 74 esista nel sistema solare, bisogna tenere conto sia della sua creazione che della sua distruzione, in particolare di quanto spesso viene frammentato dai raggi gamma durante le esplosioni stellari.

Integrando le nuove misurazioni nei modelli astrofisici, l’incertezza sulla abbondanza del selenio 74 si è ridotta della metà. Un progresso notevole. Eppure, i modelli aggiornati ancora non coincidono perfettamente con ciò che si osserva in natura. Questo scarto suggerisce che le condizioni all’interno delle supernove potrebbero essere diverse da quanto si ipotizza attualmente. Come ha sottolineato Artemis Spyrou, professoressa di fisica al FRIB e supervisore della ricerca, questi risultati avvicinano la comunità scientifica alla comprensione delle origini di alcuni degli isotopi più rari dell’universo, ma aprono anche nuove domande. Il lavoro di Tsantiri rappresenta un esempio perfetto di come le collaborazioni multidisciplinari e le opportunità offerte dal FRIB stiano spingendo avanti la fisica nucleare e l’astrofisica in modi che, fino a pochi anni fa, sembravano semplicemente impossibili.

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L’idea che i fisici avessero ormai mappato con ragionevole precisione il comportamento dei nuclei atomici era, a quanto pare, un po’ troppo ottimista. Una nuova Isola di Inversione è stata identificata in una regione del tutto inattesa della carta dei nuclidi: quella in cui il numero di protoni è uguale al numero di neutroni. E questo cambia parecchie cose rispetto a quanto si credeva di sapere.

Per chi non mastica fisica nucleare tutti i giorni, vale la pena spiegare di cosa si parla. Le Isole di Inversione sono zone particolari della mappa dei nuclei atomici dove la struttura interna smette di seguire le regole consuete. Normalmente, protoni e neutroni si organizzano in livelli energetici ben definiti, un po’ come gli elettroni negli atomi. Ma in queste isole, i nuclei abbandonano quella configurazione ordinata e si deformano in modo marcato, assumendo forme allungate o schiacciate che nessuno si aspetterebbe. Fino a oggi, queste anomalie erano state osservate esclusivamente in isotopi molto ricchi di neutroni, cioè nuclei decisamente sbilanciati e lontani dalla cosiddetta “valle di stabilità”. L’idea che potessero comparire anche altrove non era sul tavolo di nessuno.

Il molibdeno che ha sorpreso tutti

Il colpo di scena arriva dagli esperimenti condotti sugli isotopi del molibdeno. I ricercatori hanno confrontato il comportamento di molibdeno 84 con quello del suo vicino molibdeno 86, due nuclei che differiscono per appena due neutroni. Una differenza minima, sulla carta. Eppure il molibdeno 84 si comporta in modo radicalmente diverso dal molibdeno 86. Quest’ultimo segue le previsioni dei modelli tradizionali senza particolari sorprese. Il molibdeno 84, invece, mostra una deformazione nucleare molto più pronunciata, un segnale chiaro che qualcosa di profondo sta cambiando nella sua struttura interna.

La cosa davvero notevole è che il molibdeno 84 ha esattamente 42 protoni e 42 neutroni. Un nucleo perfettamente simmetrico, dove protoni e neutroni si equivalgono in numero. Storicamente, questi nuclei cosiddetti N uguale Z erano considerati tra i più “ben educati” del panorama nucleare. Trovarci dentro un comportamento tipico di una Isola di Inversione è stato, per usare un eufemismo, inaspettato.

Perché questa scoperta conta davvero

Quando una scoperta sperimentale contraddice decenni di modelli teorici, la comunità scientifica presta attenzione. E a ragione. L’esistenza di una nuova Isola di Inversione in una regione così diversa da quelle conosciute costringe a ripensare i meccanismi fondamentali che governano la coesione e la forma dei nuclei atomici. I modelli a shell, che descrivono come protoni e neutroni occupano i livelli energetici, dovranno probabilmente essere aggiornati per tenere conto di queste nuove evidenze.

C’è poi un aspetto pratico che non va sottovalutato. Comprendere meglio le deformazioni nucleari e le condizioni in cui si manifestano ha ricadute dirette sull’astrofisica nucleare, perché questi fenomeni influenzano i processi di nucleosintesi che avvengono nelle stelle e nelle esplosioni di supernova. In altre parole, capire perché il molibdeno 84 si comporta così potrebbe aiutare a spiegare come si formano gli elementi pesanti nell’universo.

La scoperta apre anche interrogativi affascinanti. Se una Isola di Inversione può nascondersi tra nuclei N uguale Z, quante altre potrebbero essercene in regioni della carta dei nuclidi che finora nessuno ha pensato di esplorare con la giusta attenzione? Il fatto che bastino due neutroni di differenza per passare da un comportamento regolare a uno fortemente deformato suggerisce che la fisica nucleare riserva ancora sorprese significative, e che la mappa completa del comportamento dei nuclei è tutt’altro che definitiva.

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