Il cerio, un elemento di grande rilevanza tecnologica, cela un mistero che ha da sempre stimolato la curiosità degli astrofisici: la sua formazione nell’universo
Il cerio è un metallo che fa parte delle cosiddette “terre rare”, che ha numerose applicazioni tecnologiche di uso quotidiano, da alcuni tipi di lampadine alle TV a schermo piatto.
Il cerio, un elemento di grande rilevanza tecnologica, cela un mistero che ha da sempre stimolato la curiosità degli astrofisici: la sua formazione nell’universo. Un recente studio guidato da ricercatori italiani dell’Infn, Inaf, Cnr ed Enea, pubblicato come “Editors’ Suggestion” sulla rivista Physical Review Letters, ha cercato di fare luce su questo enigma cosmico, svelando discrepanze che mettono in discussione la nostra comprensione della nucleosintesi stellare.
Gran parte degli elementi più pesanti dell’universo si origina all’interno delle stelle attraverso i processi di cattura neutronica. Nel cosiddetto processo-s, gli assorbimenti di neutroni da parte dei nuclei atomici avvengono gradualmente nel tempo. Ogni cattura può portare alla formazione di un nucleo stabile con un neutrone in più rispetto all’elemento iniziale, o a un nucleo instabile che decade radioattivamente in un elemento successivo nella tavola periodica.
Utilizzando i modelli del processo s, i ricercatori hanno previsto correttamente l’abbondanza di elementi come bario (56 protoni), lantanio (57 protoni), praseodimio (59 protoni) e neodimio (60 protoni) nelle stelle arricchite attraverso questo processo. Tuttavia, i modelli falliscono quando si tratta del cerio (58 protoni). Le previsioni relative alla sua abbondanza in alcune stelle degli ammassi globulari con bassa massa e bassa metallicità presentano discrepanze fino al 30% rispetto alle osservazioni. “Questa discrepanza è alquanto sorprendente, poiché la teoria funziona per gli elementi vicini”, sottolinea il team di ricerca. “Non c’è nulla nei modelli esistenti che giustifichi una discrepanza del genere solo per un elemento”.
Lo studio, condotto presso la facility n_TOF del CERN di Ginevra, si è focalizzato su un particolare isotopo del cerio, il cerio-140. Questo isotopo costituisce ben l’89% del cerio presente nell’universo e possiede una caratteristica intrigante: è un nucleo con un “numero magico” di neutroni (82). I nuclei con numeri magici di neutroni o protoni sono particolarmente stabili e spesso più abbondanti rispetto ad altri isotopi dello stesso elemento o di elementi vicini nella tavola periodica.
La stabilità del cerio-140 deriva dalla sua bassa sezione d’urto di cattura neutronica, ovvero la probabilità che catturi un neutrone entrante. I ricercatori hanno utilizzato proprio questa proprietà per indagare la discrepanza osservata.
Gli esperimenti condotti presso la n_TOF, che vanta fasci di neutroni di altissima intensità, hanno misurato una sezione d’urto del cerio-140 del 40% più alta rispetto a quanto misurato in precedenza con minore precisione. Una sezione d’urto più alta significa che il cerio-140 ha una maggiore probabilità di catturare un neutrone rispetto a quanto si pensasse in precedenza, riducendo di conseguenza la sua abbondanza prevista. Questo risultato, inaspettato, ha addirittura ampliato la discrepanza tra teoria e osservazioni per il cerio nelle stelle: ben il 20% in più rispetto a prima.
La scoperta ha implicazioni dirompenti. Da un lato, i modelli esistenti sulla nucleosintesi stellare necessitano di una revisione per tenere conto dei nuovi dati sul cerio. Dall’altro, la discrepanza potrebbe suggerire l’esistenza di un processo di produzione del cerio ancora sconosciuto, come il misterioso “processo-i”. Questo processo ipotetico di cattura neutronica potrebbe bypassare alcuni nuclei stabili coinvolti nel processo-s e, se fosse attivo su larga scala, potrebbe modificare le abbondanze relative degli elementi.
Insomma, svelare l’enigma del cerio è come ricostruire un puzzle cosmico e ogni esperimento aggiunge un pezzo vitale alla nostra comprensione dei processi stellari e dell’origine degli elementi nell’universo. Attraverso questa ricerca pionieristica, siamo un passo più vicini a decifrare i segreti nascosti nelle stelle.