Fabbrica degli elementi

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Praticamente tutti gli elementi chimici più pesanti dell’elio richiedono le condizioni estreme che si trovano   all’interno delle stelle per formarsi.

Nel caso del carbonio-un elemento essenziale per la vita sulla terra- è necessario che il suo nucleo passi attraverso uno  stato intermedio, affinché egli possa formarsi all’interno delle stelle.

Questo stato denominato di Hoyle-è una forma del nucleo di  carbonio ricco  di energia, un passaggio intermedia tra il nucleo di elio e il nucleo di carbonio, molto più pesante.

Il problema è che gli scienziati hanno  cercato di calcolare lo stato di Hoyle per quasi 60 anni, senza successo.

Se lo stato di Hoyle non esistesse, le stelle potrebbero generare solo una piccolissima quantità non solo di carbonio ma anche di altri elementi più pesanti come il ferro, azoto e ossigeno.

Vale a dire che senza questo passaggio intermedio, l’universo non sarebbe più di un gas o un massa gelatinosa, con pochissimi elementi più pesanti.

Senza questo tipo specifico  del nucleo di  carbonio, la vita come la conosciamo non sarebbe stata possibile- e, alla fine, anche l’universo come lo conosciamo non esisterebbe.

Ma la vita e l’universo esistono, con tutti gli elementi pesanti, il pezzo mancante del puzzle dovrebbe essere da qualche parte.

Stato di Hoyle

Il processo di formazione di carbonio all’interno delle stelle è chiamato processo triplo alfa: due particelle alfa che sono i  nuclei di elio, reagiscono per formare il berillio-8, che a sua volta reagisce con una terza particella alfa  per formare il carbonio-12.

Questo, tuttavia, non è il carbonio-12 che conosciamo oggi, ma uno stato  speciale ad alta energia  o  stato di Hoyle.

Lo stato di Hoyle non è esattamente un atomo, ma uno stato di risonanza, che significa che essa non può essere individuata spazialmente e ha una emivita  determinata dalla carenza di energia al limite di emissione della particella.

Solo 1  ogni 2500 stati di risonanza realmente decadono  e generano  una  carbonio-12 stabile, come la conosciamo.

Fred Hoyle previde la risonanza dello stato nel 1954 e per fortuna della vita e forse dell’intero universo, alcuni anni dopo degli esperimenti dimostrarono  la sua esistenza.

Ma, finora, nessuno era in grado di comprendere esattamente lo stato di risonanza e descriverlo matematicamente.

EURECA

“Ma ora, ci siamo riusciti,” celebra il Dr. Ulf-g. Meibner, dell´Università di Bonn, in Germania. “Tentativi per calcolare lo stato di Hoyle hanno fallito dal 1954”.

Immaginiamo lo stato di Hoyle come una sola strada che collega  due valli, separate da una catena montuosa. Nella prima valle, tutti i percorsi portano a questa unica strada-senza via d’uscita, e quindi non si può arrivare  alla prossima  valle.

Nella prima valle, tutto quello che si dispone ha tre nuclei di elio. Essi devono passare per arrivare dall´altra parte, e quello che esce é un atomo di carbonio molto più pesante.

Il problema è come questi tre nuclei debolmente connessi, praticamente una “nuvola” di nuclei di elio, si  condensano nell’atomo di carbonio.

Principi primi

“Questo è come se si voleva analizzare un segnale radio, dove un trasmettitore principale e più trasmettitori secondari  stessero interferendo l´uno con l´altro,” illustra il Dr. Evgeny Epelbaum, co-autore della ricerca.

Il trasmettitore principale è il nucleo stabile di carbonio da cui la vita si é  strutturata.

“Ma siamo interessati a un nucleo di carbonio instabile e pieno di energia, per questo dobbiamo  separare il segnale più debole del trasmettitore radio da quello che ha segnale più forte e dominante attraverso un filtro di rumore,” spiega Epelbaum.

Secondo i ricercatori, questi calcoli erano falliti perché non si stava adottando  una sufficiente precisione per le forze che agiscono tra i vari nuclei, -è quello che gli scienziati chiamano calcolo dei primi principi, che partono dalle più fondamentali  forze della natura per simulare l´evoluzione, in questo caso, degli atomi di carbonio.

Dopo una settimana di utilizzo di un supercomputer, gli scienziati hanno ottenuto risultati che corrispondono così bene con i dati sperimentali che credono effettivamente di aver calcolato  lo stato di Hoyle.

Principio antropico

“Ora possiamo esaminare questo nucleo essenziale di carbonio in ogni dettaglio,” dice il Dr. Meibner. “Stabiliremo le dimensioni e la sua struttura. E questo significa anche che ora possiamo esaminare in dettaglio l’intera catena di formazione degli elementi chimici”.

Per decenni, lo stato di Hoyle è stato il miglior esempio per la teoria che le costanti fondamentali della natura devono avere, perché altrimenti non saremmo qui a osservare l’universo-questo è chiamato il principio antropico.

“Per stato di Hoyle, significa che egli deve avere esattamente la quantità di energia che  ha, altrimenti noi non esisteremmo,” dice il Dr. Meibner. “Ora possiamo calcolare se, in un mondo diverso, con altri parametri, lo stato di Hoyle avrebbe effettivamente  un’energia diversa se confrontato con la massa di tre nuclei di elio.”

Se questo è confermato, i calcoli del   principio antropico sarebbero convalidati scientificamente.

Calcolo di ab initio dello stato Hoyle
Evgeny Epelbaum, Hermann Krebs, Dean Lee, Ulf-g. Meibner
Physical Review Letters
09 Maggio 2011
Vol.: 106, 192501 (2011)
DOI: 10.1068 / PhysRevLett. 106.192501