NUCLEX

Attività di ricerca

La collaborazione NUCLEX si occupa dello studio sperimentale dei meccanismi di reazione e della struttura nucleare in collisioni tra ioni pesanti e leggeri in un vasto range di energie di fascio, da poco oltre la barriera coulombiana fino alle energie di Fermi. Tra le dotazioni sperimentali di cui dispone, si trovano una serie di apparati di multi-rivelazione per ioni leggeri e pesanti (FAZIA, INDRA, OSCAR, GARFIELD, ATS) specificamente sviluppati dalla collaborazione per rispondere alla seguenti questioni fondamentali della Fisica Nucleare:

- comportamento della Forza Nucleare (attualmente la meno compresa tra le forze microfisiche) in sistemi di pochi corpi, dove si manifestano pesantemente fenomeni di correlazione che portano all'insorgere del clustering alfa nei nuclei;

- trasporto dell'isospin nelle collisioni tra ioni pesanti ed equilibrazione di gradi di libertà microfisici;

- termine di simmetria dell'equazione di stato della materia nucleare alle basse densità barioniche;

- struttura dei nuclei atomici in condizioni estreme di momento angolare, temperatura ed energia di eccitazione;

- termodinamica nucleare e caratterizzazione delle transizioni di fase nei nuclei.

 Alle attività sperimentali afferiscono diverse Università (Catania, Napoli Federico II, Firenze, Ferrara) e sedi dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (FI, LNL, CT, NA). Numerose le collaborazioni internazionali intrattenute con Istituti di Francia (GANIL, LPC-Caen, Univ. de Normandie-Caen, Université de Nantes, IJC-Lab di Orsay, EAMEA), Spagna (Universidad de Huelva), Polonia (Università di Varsavia), Corea del Sud (IBS-Daejon), Brasile (Università di Sao Paulo), Messico (UNAM - Ciudad de Mexico), Stati Uniti (Michigan State University, NSCL, Western Michigan University).

 

Alcune recenti pubblicazioni di rilievo

 Ivano Lombardo & Daniele Dell'Aquila: Clusters in light nuclei: history and recent developments, La Rivista del Nuovo Cimento 46 (2023) 521 (impact factor 5.9): Dopo un excursus storico sullo sviluppo del modello a cluster nei nuclei, sono passate in rassegna le principali tecniche adoperate per mettere in luce tali fenomeni nell'analisi di reazioni nucleari. Sono stati quindi discussi i risultati sperimentali ottenuti nel mondo su questa tipologia di ricerca nel periodo 2017-2022. Sono continuamente richiamati i parallelismi con la chimica fisica delle molecole e le forti connessioni con la teoria dei gruppi e le simmetrie nei nuclei.

 

D. Dell'Aquila, I. Lombardo et al: Clarifying the radiative decay of the Hoyle state with charged-particle spectroscopy, Scientific Reports (2024) 14 (impact factor 3.8): Una raffinata misura di coincidenza tra particelle cariche ha permesso di eliminare una recente (e significativa) ambiguità sul rapporto di diramazione per il decadimento radiativo dello stato di Hoyle. Tale quantità non solo è di fondamentale importanza per la descrizione della nucleosintesi del carbonio nelle stelle (alla base della vita biologica), ma è anche connessa a scenari evolutivi stellari che coinvolgono i limiti di esistenza del cosiddetto pair instability gap dei buchi neri. Esperimento realizzato ai Laboratori Nazionali di Legnaro (Padova) dell'INFN.

 

D. Dell'Aquila, I. Lombardo et al: High-Precision Probe of the Fully Sequential Decay Width of the Hoyle State in ¹²C, Physical Review Letters (2017) 119 (impact factor 8.1): Cosa c'è di meglio per studiare la topologia di un decadimento di particelle cariche che utilizzare un odoscopio ad altissima risoluzione, un telescopio a stato solido e qualche ingegnosa tecnica di coincidenza? Applicata allo studio del decadimento diretto in 3 particelle alfa dello stato di Hoyle, ciò ha portato ad ottenere un limite superiore di sole poche parti su diecimila, grazie al livello di fondo estremamente basso. Tale osservazione è stata di cruciale importanza per comprendere la struttura a cluster del ¹²C, e per il suo impatto è stata selezionata tra le Editors' Suggestions della rivista e discussa con una Viewpoint sul magazine Physics della American Physical Society (e non succede spesso). Esperimento realizzato ai Laboratori Nazionali del Sud di Catania dell'INFN.

 

C. Frosin et al: Examination of cluster production in excited light systems at Fermi energies from new experimental data and comparison with transport model calculations, Physical Review C (2023) 107 (impact factor 3.2): Nelle collisioni tra due ioni pesanti alla cosiddette "energie di Fermi" (diverse decine di MeV per nucleone coinvolto), capita spesso di formare regioni a densità ben lontane da quelle della saturazione. Nelle regioni a bassa densità nucleare è possibile osservare fenomeni di clusterizzazione in particelle leggere la cui natura ed intensità è fortemente connessa al comportamento della forza nucleare, ancora oggi poco nota. In questo articolo si esplorano proprio tali delicati aspetti, utilizzando una parte del multi-rivelatore FAZIA, ed utilizzando le sue caratteristiche uniche di identificazione isotopica. Per il suo impatto è stato dedicato a questo lavoro un articolo di Sinossi sul magazine Physics della American Physical Society. Esperimento realizzato ai Laboratori Nazionali del Sud di Catania dell'INFN; attualmente FAZIA è installato insieme al rivelatore INDRA a GANIL (Francia).

 

Alcune questioni rimaste "in sospeso" da diversi decenni sulla fusione tra ioni pesanti sopra la barriera Coulombiana, e la sua eventuale dipendenza da effetti di shell o di clustering, sono discusse nei due recenti lavori:  Nuclear structure effects on over-barrier fusion reactions investigated with a new phenomenological model, Physics Letters B (2023) 837 (impact factor 4.3) e Modeling heavy-ion fusion cross section data via a novel artificial intelligence approach: Journal of Physics G: Nucl. Part. Phys. (2022) 50 (impact factor 3.4).  In entrambi sono stati analizzati dei grandi database raccolti in più di 50 anni di misure riportate in letteratura, allo scopo di mettere il luce le dipendenze da parametri di struttura nucleare sulle sezioni d'urto di fusione. Nel primo lavoro è stato utilizzato un approccio fenomenologico basato sul metodo Sum of Differences nelle reazioni nucleari; nel secondo lavoro è stato invece adoperato, tra i primi casi in Fisica Nucleare, un approccio di Intelligenza Artificiale basato su algoritmi genetici evolutivi.

 

Fenomeni di clusterizzazione nel ²⁰Ne sono stati studiati da alcuni membri della collaborazione in una serie numerosa di esperimenti volti ad analizzare la reazione ¹⁹F(p,a)¹⁶O a basse energie incidenti. Gli esperimenti sono stati realizzati inizialmente all'acceleratore TTT3 dell'Università di Napoli Federico II (pubblicato su Journal of Physics G: Nucl. Part. Phys. nel 2013; più informazioni QUI), quindi all'acceleratore AN2000 dei Laboratori Nazionali di Legnaro dell'INFN (pubblicato su Physics Letters B nel 2015; più informazioni QUI), ed infine, molto recentemente, anche presso l'acceleratore Singletron del DFA (pubblicato su Journal of Physics G: Nucl. Part. Phys. nel 2024; più informazioni QUI). Sono state risolte diverse ambiguità nell'assegnazione di spin e parità per vari stati eccitati del ²⁰Ne, per alcuni dei quali è stata anche suggerita una potenziale struttura a quartetti correlati di nucleoni. In diversi casi la reazione ha anche avuto un interesse astrofisico, in special modo riguardo le caratteristiche e l'evoluzione delle antichissime stelle di Popolazione III (per maggiori dettagli, si veda la Sinossi sul magazine Physics della American Physical Society).