nuove strade per la fisica

La comprensione dell’universo profondo compie un significativo passo avanti grazie a una sinergia scientifica di livello internazionale: l’utilizzo del grafene modifica le dinamiche di decadimento del trizio. Un team internazionale di scienziati è riuscito a mappare con precisione millimetrica l’interazione tra la materia bidimensionale e i processi nucleari, risolvendo uno dei principali colli di bottiglia teorici che ostacolano la misurazione della massa del neutrino. La ricerca, nata dalla collaborazione tra l’Istituto Nanoscienze del Consiglio Nazionale delle Ricerche, l’università di Pisa, Sapienza Università di Roma, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e la Columbia University di New York, è stata pubblicata sulla rivista specializzata Physical Review C e si inserisce nell’avveniristico quadro del progetto internazionale Ptolemy fornendo le linee guida per la progettazione dei rivelatori di prossima generazione.

Il mistero della particella fantasma

Determinare la massa del neutrino rappresenta una delle sfide più cruciali e complesse della fisica contemporanea. Queste particelle infinitesime, caratterizzate da una leggerezza estrema, sono tra le più diffuse nel cosmo e possiedono la peculiarità di attraversare la materia quasi senza lasciare traccia e senza interagire con essa. Proprio all’interno di questa loro natura sfuggente si celano le risposte fondamentali sulla nascita e sull’evoluzione dell’universo.

Fino a oggi, la metodologia standard si è basata sull’analisi del trizio, un isotopo radioattivo dell’idrogeno che decade spontaneamente emettendo un elettrone e un neutrino. Misurando accuratamente l’energia degli elettroni emessi, gli scienziati possono dedurre indirettamente la massa del neutrino. Tuttavia, questo approccio nel vuoto sta rapidamente raggiungendo i propri limiti fisici e sperimentali, rendendo necessarie nuove strategie tecnologiche per incrementare la sensibilità degli strumenti.

La svolta quantistica dei materiali bidimensionali

Per superare le barriere dei vecchi sistemi, il progetto Ptolemy ha proposto l’introduzione del grafene come substrato di ancoraggio. Il grafene, un materiale bidimensionale composto da un singolo strato atomico di carbonio, viene impiegato per assorbire gli atomi di trizio sulla sua superficie. Questa configurazione introduce però le cosiddette variabili di stato solido, in quanto le interazioni chimico-fisiche tra il trizio stesso e il reticolo di carbonio alterano inevitabilmente l’energia degli elettroni liberati.

A questo proposito, Valentina Tozzini del Cnr, co-autrice dello studio insieme ad Andrea Casale della Columbia University, Angelo Esposito della Sapienza e dell’Infn, e Guido Menichetti dell’ateneo di Pisa, hanno spiegato come all’interno di un materiale, contrariamente a quanto accade nel vuoto, le eccitazioni di natura elettronica e vibrazionale vadano a modificare lo spettro energetico degli elettroni emessi. Poiché questo spettro costituisce il segnale primario per calcolare la massa del neutrino, diventa di fondamentale importanza quantificare tali interferenze con una precisione assoluta per non inficiare l’interpretazione dei dati raccolti nei laboratori.

Algoritmo non convenzionale per unire atomi e nuclei

Per isolare e calcolare queste microscopiche fluttuazioni, l’équipe ha sviluppato un innovativo impianto teorico capace di fondere la fisica quantistica nucleare con la fisica della materia. I ricercatori hanno combinato le simulazioni della struttura elettronica del grafene, ottenute attraverso un uso inedito del metodo computazionale chiamato Density Functional Theory, con la descrizione matematica del decadimento nucleare. Il risultato è un modello altamente realistico che riproduce fedelmente il comportamento del trizio all’interno dei dispositivi di misurazione.

Il gruppo di ricerca ha sottolineato come questo tipo di analisi permetta di comprendere a fondo l’azione esercitata dal materiale di supporto sul segnale di decadimento. Grazie a questa intuizione, diventa finalmente possibile distinguere e isolare dettagli infinitesimali nella distribuzione energetica degli elettroni che prima erano considerati indistinguibili. L’approccio computazionale ha così permesso, per la prima volta nella storia della fisica, di unire gli effetti puramente nucleari a quelli legati allo stato solido della materia circostante.

Dal grafene verso i confini della cosmologia moderna

L’impatto di questa scoperta si estende ben oltre i laboratori di microelettronica, toccando le corde più profonde della cosmologia e della fisica delle particelle elementari. La multidisciplinarità intrinseca della ricerca è l’elemento cardine evidenziato da Marcello Messina, primo ricercatore dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’Infn, nonché coordinatore tecnico e fondatore del progetto Ptolemy. Lo scienziato ha rimarcato come il progetto spazi con disinvoltura dalla fisica teorica a quella delle particelle, fino allo studio della storia del cosmo, offrendo in ciascuno di questi settori l’opportunità concreta di raggiungere la frontiera della conoscenza umana.

Le nuove metriche teoriche non solo guideranno gli ingegneri nella scelta e nella strutturazione dei materiali ottimali per i futuri esperimenti sulla massa dei neutrini, ma pongono le basi per un traguardo ancora più ambizioso, ovvero la futura rivelazione dei neutrini del fondo cosmico, i fossili termici del Big Bang, catturati attraverso le reazioni indotte sul trizio. Il grafene, in conclusione, dimostra di essere molto più di una semplice piattaforma tecnologica avanzata, configurandosi come una vera e propria chiave di volta per decifrare le leggi fondamentali dell’universo.

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