Anomalia del decadimento radioattivo finalmente spiegata (forse)

Nel 2007, i fisici dell'acceleratore di ioni pesanti GSI a Darmstadt, in Germania, hanno fatto una scoperta sconcertante.

Questi ragazzi stavano misurando i tassi di decadimento radioattivo dei nuclei di praseodimio e promezio che erano stati privati ​​di tutti i loro elettroni tranne uno o due, lasciandoli con una carica superiore a +50.

In queste condizioni, è noto che i nuclei decadono in modi strani. I nuclei nudi, per esempio, non possono decadere per cattura di elettroni. Questo li costringe a decadere in altri modi meno comuni, modificando notevolmente il loro tasso di decadimento.

Più in generale, i fisici sanno da tempo che i cambiamenti di temperatura e pressione possono influenzare il tasso di decadimento di una percentuale o giù di lì, probabilmente perché questo cambia anche la densità elettronica attorno ai nuclei di una piccola quantità.

Ma quello che i ragazzi del GSI hanno scoperto era ancora più strano. Hanno scoperto che il normale tasso di decadimento esponenziale del praseodimio e del promezio oscillava con un periodo di circa 7 secondi. Era come se un'oscillazione si fosse sovrapposta alla normale curva di decadimento esponenziale.

Il loro esperimento è interessante perché è unico. Questi ragazzi producono una manciata di ioni in un sincrotrone e la misurano che decade in base al cambiamento che produce nella risonanza del fascio di ioni mentre circola.

Ciò fornisce una misurazione esatta della durata di ogni ione, piuttosto che una misurazione media dell'emivita di un materiale sfuso, come fanno tutti gli altri esperimenti. È facile vedere che questo effetto sarebbe sfumato e invisibile in questo tipo di esperimenti

Così tanti fisici credono che l'esperimento GSI stesse effettivamente misurando le proprietà del decadimento radioattivo nella sua forma più pura.

La grande domanda, ovviamente, è cosa causa l'anomalia GSI, come è diventata nota? Le prime spiegazioni si sono concentrate sulla possibilità che le oscillazioni dei neutrini potessero spiegare l'effetto.

I nuclei di praseodimio e promezio decadono attraverso la forza debole in due modi. Un protone può catturare un elettrone producendo un neutrone e un elettrone-neutrino. Oppure il protone può decadere spontaneamente in un neutrone, un positrone e un elettrone-neutrino.

L'idea era che i neutrini prodotti in questa reazione potessero trasformarsi in altri tipi, influenzando così di poco la velocità di decadimento.

Tuttavia, vari fisici hanno sottolineato che il risultato non può essere spiegato dalle oscillazioni del neutrino per il semplice motivo che queste possono verificarsi solo dopo che il neutrino è stato prodotto e quando si trova a una distanza significativa dai nuclei.

Questo ha lasciato i fisici in una perdita imbarazzante. In assenza di una spiegazione ragionevole, l'anomalia del GSI è diventata un fastidioso prurito nel culo della fisica nucleare.

Today, Francesco Giacosa at J.W. Goethe University in Frankfurt and Giuseppe Pagliara at the Universita di Ferrara in Italy, provide some welcome relief.

Questi ragazzi dicono che l'anomalia del GSI può essere spiegata se i due meccanismi di decadimento dei nuclei del praseodimio e del promezio operano a energie leggermente diverse. Il tasso di decadimento di ciascun meccanismo da solo sarebbe una curva esponenziale standard, anche se a velocità leggermente diverse.

Ma ecco la chiave. Quando entrambi i meccanismi si verificano insieme, il sistema oscilla tra di loro. Quindi le variazioni periodiche osservate al GSI sono semplicemente l'effetto del sistema che salta da un meccanismo di decadimento all'altro. Giacosa e Pagliara paragonano questo alle ben note oscillazioni di Rabi che si verificano in molti sistemi quantistici.

La cosa più eccitante è che questa teoria porta a una previsione interessante. Giacosa e Pagliara affermano che se il team del GSI può misurare il tasso di decadimento ad intervalli molto più brevi di 7 secondi, il tasso di decadimento dovrebbe rapidamente scendere a zero. Se l'esperimento al GSI potesse misurare alcuni punti sotto i 10 s, la nostra interpretazione potrebbe essere facilmente respinta o approvata, dicono.

Queste idee hanno implicazioni più ampie. Giacosa e Pagliara affermano che questo effetto potrebbe spiegare altre strane variazioni periodiche nei tassi di decadimento che i fisici hanno osservato su scale temporali molto più lunghe. Ne abbiamo esaminati alcuni qui .

Inoltre, le variazioni sono chiaramente effetti fondamentali nella meccanica quantistica che potrebbero avere profonde implicazioni per la nostra comprensione dei processi nucleari che avvengono all'interno delle stelle.

E tutto questo significa che c'è più divertimento da fare con l'anomalia GSI, indipendentemente dal fatto che questa spiegazione si riveli vera o meno.

Rif: arxiv.org/abs/1110.1669 : Oscillazioni nella legge di decadimento: una possibile spiegazione quantomeccanica dell'anomalia GSI?

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