e il decadimento ß

Autore:
dottor Carlo De Marzo
Dipartimento di Fisica dell'Università di Bari e Sezione INFN di Bari

I fenomeni della radioattività, seppure studiati ormai da un secolo, non smettono di fornire sorprese. è il caso dei risultati di una elegante misura effettuata dal gruppo guidato da Sandro Vitale a Genova. Oggetto della misura è il decadimento ß del renio 187, un isotopo radioattivo particolarmente adatto alle ricerche sulla massa dei neutrini in cui il gruppo è impegnato. Il decadimento radioattivo di tipo ß avviene all'interno dei nuclei di determinate sostanze radioattive e consiste nella frantumazione spontanea di un nucleone che emette un elettrone ed un neutrino.

L'energia liberata nella disintegrazione si divide statisticamente fra i tre corpi coinvolti — l'elettrone, il neutrino e ciò che resta del nucleone di partenza — con rapporti che devono rispettare l'entità delle loro masse. Per questo motivo gli elettroni che emergono dalla sostanza, e che sono le sole particelle finora praticamente misurabili, si presentano con una distribuzione di energia — il cosiddetto “spettro” — da cui si possono ricavare informazioni sulla massa dei neutrini coinvolti. è specialmente la parte a più alta energia dello spettro che risente dell'entità della massa del neutrino. Ciò fa sì che lo studio del decadimento radioattivo di tipo ß costituisca uno dei metodi fondamentali per misurare la massa del neutrino.

Il problema sperimentale, ad oggi ancora non risolto, è che tale massa è eccezionalmente piccola e, di conseguenza, la precisione necessaria perché la misura abbia successo non è stata ancora raggiunta da nessun gruppo di ricerca a livello internazionale. Per risolvere questo problema il gruppo di Genova impegna piccoli rivelatori costituiti da cristalli di renio 187, tenuti a temperatura prossima allo zero assoluto, con cui misura l'energia degli elettroni che vengono emessi da questo o quel nucleo contenuto nella massa dello stesso cristallo di renio. In questo modo il renio è contemporaneamente l'emettitore ed il rivelatore degli elettroni del decadimento radioattivo.

Uscendo dal nucleo che lo emette l'elettrone passa vicino agli atomi di renio circostanti e qui si manifesta l'interessante effetto quantistico che i genovesi sono riusciti per primi a misurare. Infatti l'elettrone, essendo una particella quantistica, è contemporaneamente onda e proiettile. Nell'uscire dal nucleo il carattere ondulatorio dell'elettrone “interferisce” — come si dice propriamente — con il reticolo degli atomi che attraversa e ne resta modificato. La distribuzione del suo spettro di energia ne risulta modulata.

L'esistenza di questo effetto, a cui è stato dato il nome di BEFS (Beta Emission Fine Structure), era stata predetta teoricamente fin dal 1991, ma nessuno, prima del brillante risultato del gruppo di Genova, l'aveva dimostrata sperimentalmente. Ciò perché, a conti fatti, si tratta di una misura difficile, che richiede altrettanta perizia strumentale che abilità nell'elaborare i dati. Ma qual'è l'importanza o il valore — ci si può chiedere — dell'aver misurato l'effetto BEFS? Almeno due le risposte. Da un lato il risultato permette una migliore comprensione del processo di decadimento ß nei solidi e quindi dà la possibilità di migliorare la precisione delle misure riguardanti la massa del neutrino.

Oggi la ricerca delle proprietà fisiche dei neutrini è un problema scientifico riconosciuto di primo piano a livello internazionale, a cui vengono dedicati enormi sforzi. Un punto chiave in questa ricerca è proprio la misura della massa dei neutrini. Rispetto a ciò lo studio del decadimento ß risulta, come dicevamo, un fondamentale metodo di indagine. D'altro lato l'utilizzazione dell'effetto BEFS lascia intravedere la possibilità di un nuovo sofisticatissimo metodo per indagare la struttura intima dei solidi. In questo caso altri isotopi, più che il renio 187, sarebbero indicati allo scopo, per esempio il trizio od il carbonio 14.

L'idea alla base di questo metodo è che detti isotopi vengano introdotti nel cristallo da analizzare sotto forma di impurità reticolari al fine di indagare le caratteristiche del reticolo cristallino. Studi di questo tipo si avvalgono attualmente di una tecnica detta EXAFS, con cui l'effetto BEFS ha delle analogie. Nell'EXAFS l'estrazione degli elettroni dagli atomi avviene per effetto di un flusso di raggi X in grado di estrarre elettroni orbitali dagli strati profondi, di cui si studiano gli effetti di interferenza con il reticolo cristallino circostante. Nel caso del BEFS particolare importanza potrebbe acquistare l'utilizzazione del carbonio 14 come radioisotopo specialmente indicato per studiare i materiali a base di carbonio e le stesse strutture del carbonio.

Tutto ciò sottende un campo di applicazioni vastissimo ed in rapida espansione, che ha bisogno di metodi di indagine sempre più sofisticati. Come già successo in tanti altri casi, risultati e tecniche sviluppati per ricerche fondamentali in fisica delle particelle elementari trovano interessanti applicazioni in altri campi.

In collaborazione con l' Istituto nazionale di fisica nucleare