I ricercatori che studiano la natura labirintica dei nuclei atomici dicono di aver risposto a una domanda che ha lasciato perplessi i fisici per più di mezzo secolo: Perché l’isotopo radioattivo noto come carbonio-14 decade così lentamente? La scoperta potrebbe portare a una migliore comprensione del funzionamento della forza nucleare forte, una delle quattro forze fondamentali della natura.
Nel serraglio degli isotopi comuni – come carbonio-11, azoto-13 e ossigeno-15 – il carbonio-14 è una tartaruga tra le lepri, e una tartaruga dolorosamente lenta. Mentre i suoi cugini impiegano pochi minuti o ore per decadere, solo la metà del componente carbonio-14 di una data sostanza è sparito dopo 5730 anni, essendo diventato azoto-14. Questa lunga emivita ha reso l’isotopo prezioso per gli archeologi come strumento per determinare l’età della materia organica, sia vegetale che animale. Analizzando il rapporto tra carbonio-14 e azoto-14, i ricercatori possono determinare, entro un margine ristretto, quando il campione in questione ha respirato o fotosintetizzato l’ultima volta. Questo perché quando un organismo muore, smette di ingerire carbonio, compreso il carbonio-14.
Ma il motivo per cui il carbonio-14 decade molto più lentamente di altri isotopi è rimasto elusivo, e i ricercatori hanno discusso per decenni sul meccanismo. Non importa quanto duramente ci abbiano provato, nessuno è stato in grado di descrivere la meccanica del decadimento del carbonio-14, dice il fisico Gerald Brown della Stony Brook University di New York. Brown è un membro del duo che all’inizio degli anni ’90 ha proposto una spiegazione per il peculiare comportamento del nucleo del carbonio-14, chiamato scaling Brown-Rho. “E’ un’idea molto contestata”, dice Brown.
La teoria funziona così: I protoni e i neutroni all’interno del nucleo di qualsiasi elemento sono legati dall’azione di particelle subatomiche chiamate mesoni, che si muovono avanti e indietro tra loro. I mesoni portano due versioni della forza nucleare forte, che impedisce al nucleo di volare via. Secondo la scala di Brown-Rho, in altri isotopi la differenza di forza tra le due versioni – chiamate forza centrale e forza tensore – è abbastanza grande da rendere i nuclei instabili, cioè decadono rapidamente. Ma nel carbonio-14, le due versioni sono quasi in equilibrio, il che permette all’isotopo di persistere molto più a lungo. Alla fine, però, il nucleo soccombe all’instabilità, e l’elemento si trasmuta in azoto-14.
Fino ad ora, però, nessuno è stato in grado di confermare matematicamente la teoria. In un prossimo numero di Physical Review Letters, Brown e il collega della Stony Brook University Jeremy Holt hanno completato nuovi calcoli che dicono di verificare l’idea. Il team di Holt riferisce che la sensibilità del decadimento del carbonio-14 alla forza tensoriale è davvero dietro il processo. “Questo è il meccanismo di base che porta alla lunga vita che prevediamo”, dice Holt.
I risultati riaffermano anche la prima menzione della connessione tra la forza tensore e il decadimento del carbonio-14, fatta dal fisico israeliano Igal Talmi nel 1954, nota il fisico Larry Zamick della Rutgers University di Piscataway, New Jersey. Ma le limitazioni rimangono, dice. I calcoli coprono solo alcune interazioni tra mesoni all’interno del guscio del nucleo di carbonio, dice Zamick. Quindi, raccomanda che il team cerchi di espandere le sue conclusioni per coprire “un modello di guscio più ampio.”
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