Dalle verifiche sperimentali delle leggi fondamentali dell’universo nascono nuove tecnologie che possono cambiare la vita di tutti i giorni. Anche la ricerca della Vanvitelli sullo "shift isotopico" dell'atomo di mercurio rientra in questo filone. Lo studio di eccellenza è stato pubblicato sulla rivista scientifica internazionale Physical Review Letters e si distingue per il livello di accuratezza sperimentale raggiunto.

Ma prima, facciamo un passo indietro. Cos’è lo shift isotopico?

Lo shift isotopico è la piccola differenza nelle righe spettrali (cioè nelle frequenze o lunghezze d’onda della luce emessa o assorbita da un atomo) tra isotopi diversi dello stesso elemento. La differenza di massa e di volume nucleare – dovuta al diverso numero di neutroni - provoca un piccolo spostamento nei livelli energetici elettronici, e quindi le righe spettrali non sono esattamente nella stessa posizione per tutti gli isotopi. Questo spostamento si chiama shift isotopico.

Perché è importante analizzarlo?
La misura dello shift isotopico è uno strumento di fisica fondamentale, di ricerca di base, e  permette di ottenere informazioni estremamente precise sulla struttura nucleare e atomica.

Cosa hanno scoperto i ricercatori della Vanvitelli?

Immaginiamo di voler misurare qualcosa di minuscolo, come lo spostamento delle righe spettrali degli isotopi dell'atomo di mercurio (Hg). È un po’ come cercare di capire se due violini, apparentemente identici, producano una nota leggermente diversa. La differenza c’è, ma è minima. In  questo studio gli scienziati sono riusciti a fare un salto di qualità: hanno ridotto l’incertezza delle misure di oltre venti volte rispetto agli studi precedenti. In metrologia — la scienza delle misure — migliorare la precisione di un “ordine di grandezza” (cioè di dieci volte) è già considerato un grande successo. Qui si è andati ben oltre: più di venti volte meglio.

Un punto di vista nuovo

La ricerca racconta non solo di un record tecnico, ma consente di osservare dettagli prima di oggi invisibili, distinguere meglio gli isotopi del mercurio e mettere alla prova con maggiore rigore le teorie che descrivono la struttura della materia così come oggi la conosciamo. 

“Questa ricerca – sottolinea Livio Gianfrani, responsabile dello studio e docente alla Vanvitelli in Fisica sperimentale della materia e applicazioni - potrebbe suggerire l'esistenza di fenomeni non ancora spiegati, oltre il Modello Standard, ossia, la teoria fondamentale della Fisica delle particelle che classifica tutti i costituenti elementari della materia e descrive tre delle quattro interazioni fondamentali (elettromagnetica, debole e forte).  In altre parole, l'evidenza di un King plot non-lineare potrebbe essere la firma di una nuova forza fondamentale o di un nuovo bosone leggero che media interazioni tra elettroni e neutroni. Rispetto all'itterbio, l'atomo oggetto di diversi esperimenti condotti nel mondo nell'ultimo quinquennio, il mercurio presenta alcuni importanti vantaggi per studi di non-linearità dei King plot, con particolare riguardo alle proprietà di simmetria del nucleo atomico, che rendono meno significativi gli effetti di deformazione nucleare."

Il metodo

Un ulteriore elemento di merito riguarda l’approccio sperimentale adottato dal team del Prof. Gianfrani: l’utilizzo di metodi e strumenti di spettroscopia laser “da tavolo” per testare teorie che, tradizionalmente, richiedono l’impiego di grandi acceleratori, come il Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra.

I laboratori della ricerca

Il lavoro è stato condotto presso il Laboratorio di Fisica Atomica del Dipartimento di Matematica e Fisica da Stefania Gravina, Antonio Castrillo e Livio Gianfrani, e rappresenta l’esito di un percorso di ricerca avviato nel 2017 nell’ambito di un Progetto di Rilevante Interesse Nazionale (PRIN), finanziato dal Ministero dell’Università e della Ricerca (in foto: vista d'insieme delle sorgenti laser utilizzate per l'esperimento sugli isotopi del mercurio).

Verso un nuovo modello standard? 

L'uso del "King Plot" per cercare deviazioni dal Modello Standard rappresenta oggi la nuova frontiera della Fisica Atomica e porta dunque la Vanvitelli ad essere competitiva anche in questo campo per confrontarsi con importanti centri di ricerca di grande prestigio internazionale, come l'ETH di Zurigo (in Svizzera), l'MIT di Cambridge (nel Massachusetts, USA) o ancora il PTB di Braunschweig (in Germania), in un ambito in cui la verifica sperimentale dei fondamenti teorici richiede livelli estremi di precisione e accuratezza. La spettroscopia atomica di altissima precisione si configura così non solo come uno strumento di indagine, ma come un contributo concreto al dibattito scientifico sui limiti e sulle possibili estensioni del Modello Standard.