Come accennato nella prima parte di questo capitolo, il funzionamento del nucleo non è stato ancora “decifrato” completamente. In realtà, la trattazione precedentemente fatta sul nucleo è molto semplicistica, in quanto finalizzata solo ad introdurre il progetto SPES. Le cose a livello nucleare sono molto più complesse di quanto detto, in quanto i nucleoni sono a loro volta costituiti da subparticelle dette quark, che esercitano un’azione fisica che va oltre i nucleoni nei quali esse stesse sono confinate.
Attualmente la fisica nucleare si è posta l’obiettivo di ottenere un modello unitario in grado di rappresentare l’effettiva interazione tra le particelle nucleari, eliminare le incongruenze tra i modelli esistenti ed essere applicabile anche ai nuclei esotici, ossia quelli con rapporto protoni/neutroni estremo.
• I fasci di ioni radioattivi, prodotti appunto grazie al progetto SPES, possono fornire un prezioso contributo nel cercare di decodificare il funzionamento delle interazioni nucleari. Passi avanti nella fisica nucleare ad esempio, potrebbero essere compiuti grazie allo studio dei “nuclei halo”, ovvero dei nuclei lontani dalla stabilità, analizzandone le differenze rispetto ai nuclei stabili. I nuclei halo, avendo energie di legame molto piccole, presentano distribuzioni di nucleoni inconsuete, ad anello: uno o due dei neutroni orbitano intorno al nucleo, rimanendo quindi separati da esso (neutroni di valenza). Di conseguenza per i nuclei
halo non vale la correlazione tra numero di nucleoni e il raggio del nucleo, valida invece per
i nuclei stabili:
𝑅 = 𝑅0𝐴
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• Un’altra attività resa possibile dalla facility ISOL è la sintesi e lo studio degli elementi “super-pesanti”. Gli elementi naturali sono circa 90, dall'idrogeno all'uranio. Grazie alla fusione nucleare, negli ultimi anni, è stato possibile sintetizzare elementi di numero di massa elevato, fino all'elemento 118 della tavola periodica. Questi elementi, noti appunto come “SuperHeavy”, si formano intorno all'isola di stabilità: una configurazione composta da 114 protoni e 184 neutroni sembra stabilizzare il nucleo. Con la facility SPES sarebbe possibile creare le condizioni più adatte per studiare accuratamente gli elementi Super-Pesanti, facendo collidere particelle ricche di neutroni con un bersaglio ricco anch’esso di neutroni. • Ancora, per quanto riguarda la Fisica dello stato solido, grazie a SPES e la sua utility, si potrà
far uso della tecnica del Radio Tracer Diffusion: consiste nell’impiantare dei nuclei radioattivi nel sistema solido che si vuole studiare. Rilevando le particelle e le radiazioni γ emesse, è possibile seguire l’evoluzione dei processi di diffusione all’interno dei sistemi solidi; oppure si possono studiare le interazioni tra l’atomo sonda e la struttura del reticolo cristallino che lo circonda e di ricavare informazioni riguardanti il campo elettrico e magnetico all’interno del reticolo cristallino. Il sistema ospitante può essere drogato con radioisotopi sonda sia per diffusione mediante reazione nucleare, sia per impianto ionico. La scelta dello specifico isotopo radioattivo da utilizzare nello specifico esperimento viene effettuata in base sia alle caratteristiche chimico-fisiche sia alle proprietà nucleari di quest’ultimo.
• Per poter sviluppare semiconduttori di piccole dimensioni è necessario poter avere il miglior controllo possibile sui difetti che governano tali proprietà, cioè sia sulle caratteristiche intrinseche (vacanze, difetti interstiziali) sia su quelle estrinseche (droganti, impurità atomiche) del reticolo cristallino. Per questo motivo sia la ricerca di base, sia quella applicata stanno concentrando i propri sforzi nello studio dei difetti e dell’attivazione elettrica dei droganti in diversi tipi di semiconduttori.
Analogamente agli isotopi droganti stabili, anche quelli radioattivi possono alterare le proprietà elettriche ed ottiche dei semiconduttori nei quali vengono inseriti. Queste caratteristiche sono influenzate dalle loro proprietà chimiche, dalle loro dimensioni e dalla posizione in cui vengono inseriti nel reticolo.
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Per avere un controllo affidabile delle prestazioni di semiconduttori è indispensabile poter disporre di tecniche sperimentali con elevata sensibilità sia dal punto di vista chimico, sia da quello della concentrazione dei difetti.
Da decenni la tecnica diffusa per la rilevazione delle impurezze è il channeling, che consiste nell’indirizzare un fascio di ioni attraverso le righe atomiche dei cristalli o lungo i piani del cristallo (canali). Con questa procedura tuttavia non è possibile determinare concentrazioni di difetti inferiori a 1012 [atomi/cm3]. La sensibilità subisce un notevole miglioramento se all’interno del reticolo cristallino sono impiantate impurezze radioattive che emettono particelle cariche (emission channeling). Misurando l’emissione lungo direzioni diverse è possibile determinare la posizione nel reticolo cristallino dell’atomo emittente con un’accuratezza di pochi decimi di Angstrom [Å].
• Le facility ISOL di nuova generazione vanno in soccorso anche agli astrofisici. Nelle stelle avvengono reazioni nucleari che liberano grandi quantità di energia, che coinvolgono sia nuclei stabili sia nuclei instabili e che permettono alla stella di continuare a brillare per bilioni di anni prima di esaurire il “carburante” nucleare. Nelle differenti fasi della vita di una stella, vengono sintetizzati nuovi elementi chimici, sia attraverso reazioni di nucleo-sintesi lungo la valle di stabilità nucleare, sia attraverso processi non ancora identificati, tra nuclei lontani dalla stabilità. Per sviluppare un modello che descriva il processo di nucleo-sintesi astrofisico, è necessario valutare le rese delle reazioni nucleari dei principali cicli astrofisici e le caratteristiche di decadimento (i tempi di vita, i canali di decadimento, le masse) di nuclei lontani dalla stabilità e quindi sconosciuti. Tutte queste informazioni possono essere misurate unicamente con un fascio radioattivo: per tale motivo si prevede che la nuova generazione di facilities risulterà di fondamentale importanza per la comprensione della sintesi elementare nell’Universo.
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