Intrappolamento di atomi di Francio
Il Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra dell'Università degli Studi di Ferrara partecipa all'esperimento di intrappolamento per atomi di Francio (esperimento WADE) realizzato presso i Laboratori Nazionali di Legnaro dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in collaborazione con le Università di Pisa, di Siena, e la Sezione di Ferrara dell'INFN.
Una delle tecniche attualmente utilizzate per investigare le proprietà della materia consiste nel raffreddare e successivamente intrappolare un campione di atomi a temperature prossime allo zero assoluto (-273,15°C). A tale scopo si utilizzano fasci laser mediante una tecnica che ha valso il premio Nobel per la Fisica nel 1997 ai suoi proponenti.
In genere si è abituati a pensare al fascio laser come ad un dispositivo che viene utilizzato per riscaldare la materia (ed in effetti in ambito industriale trova impiego anche per tagliare e saldare materiali). In opportune condizioni, il fascio laser è altresì in grado di diminuire la velocità degli atomi di alcuni elementi allo stato di vapore, che si trovano confinati in uno spazio limitato. Poiché classicamente la temperatura di tali atomi è direttamente proporzionale alla velocità quadratica media degli atomi stessi, la diminuzione di velocità indotta dal laser si traduce in una diminuzione della temperatura. Aggiungendo un opportuno campo magnetico quadrupolare è inoltre possibile confinare in un volume di qualche millimetro cubo gli atomi raffreddati, ottenendo così una trappola magneto-ottica. In questo dispositivo si ottiene un campione estremamente denso e freddo di atomi: le temperature raggiunte sono dell'ordine del millesimo di grado sopra lo zero assoluto.
Vari laboratori in tutto il mondo utilizzano trappole magneto-ottiche per intrappolare e studiare atomi stabili (in Italia a Ferrara, Firenze, Pisa e Siena). Diverso è il caso degli atomi instabili, con vite medie di pochi minuti: solo pochi laboratori al mondo sono in grado di produrre ed intrappolare questi atomi. In Europa l’unico Centro di Ricerca che ha già ottenuto risultati degni di nota in questo ambito disciplinare si trova presso i Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL) dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN); altre facility sono in preparazione al KVI di Groningen (Olanda) e GANIL di Caen (Francia).
Presso i Laboratori di Legnaro una collaborazione scientifica costituita da gruppi di ricerca delle Università di Ferrara, Pisa e Siena e da ricercatori dei suddetti Laboratori, guidata dai professori Roberto Calabrese e Luigi Moi, ha realizzato una linea di produzione di ioni francio, una linea per il loro trasporto ed una trappola magneto-ottica dove avvengono la neutralizzazione di tali ioni e il conseguente intrappolamento degli atomi di francio.
Analoghi apparati sperimentali sono in fase di costruzione presso TRIUMF (Canada) e Tohoku University (Giappone).
L'apparato sperimentale è in grado attualmente di intrappolare un campione di oltre 10000 atomi di francio (Fr).
Il francio è un elemento chimico di numero atomico 87; è il più pesante dei metalli alcalini e può trovarsi in natura in quantità minime nei minerali dell'uranio e del torio. È il meno stabile di tutti gli elementi chimici e ne sono conosciuti 41 isotopi, di cui il più stabile è il 223 Fr (tempo di dimezzamento di 22 minuti), prodotto dal decadimento alfa di 227 At (attinio). Il francio è presente in natura in tracce nella crosta terrestre principalmente sotto forma dell'isotopo 223: a causa del suddetto decadimento, si stima che in ogni istante esistano complessivamente solo circa 30 grammi di francio sulla Terra.
Il francio può altresì essere prodotto artificialmente mediante una reazione di fusione-evaporazione in cui un fascio accelerato di ioni ossigeno viene fatto collidere con un bersaglio d’oro ad alta temperatura. Questa è la tecnica utilizzata presso i Laboratori di Legnaro per produrre gli isotopi 208, 209, 210 e 211. Il francio viene estratto dal bersaglio d’oro come fascio ionico e trasportato in un laboratorio laser in cui viene neutralizzato ed intrappolato.
Il campione di atomi di francio 210 intrappolati ai LNL rappresenta attualmente la più alta concentrazione di francio sulla Terra e, a parità di condizioni di produzione, fornisce la migliore efficienza di intrappolamento, se paragonata ad un analogo esperimento realizzato in USA presso la State University of New York di Stony Brook. Questa ricerca, come spesso le ricerche di frontiera, ha un carattere fortemente interdisciplinare, sia come metodologie che come risultati: è possibile effettuare misure di spettroscopia atomica ad alta risoluzione, misure di fisica nucleare (determinazione dei raggi nucleari dei vari isotopi, asimmetrie nel decadimento alfa degli atomi di francio), studi della violazione delle “norme” del modello con cui la fisica contemporanea rappresenta la natura del nostro Universo.
