Nils Haag con lo strumento che ha permesso di determinare lo spettro degli antineutrini prodotti dalla fissione dell’uranio 238. Crediti: Wenzel Schuermann / TU München
È possibile scoprire cosa bolle in pentola senza alzare il coperchio? Se la pentola è un reattore nucleare, da oggi la risposta è sì. Il merito è d’un gruppo di ricercatori della Technische Universität München, in Germania, che sotto la guida di Nils Haag è riuscito a ricostruire lo spettro d’emissione degli antineutrini generati dalla fissione dell’uranio 238. Vale a dire, il tassello mancante per completare un puzzle che teneva in scacco i fisici da parecchi decenni. Un puzzle che promette importanti applicazioni pratiche nel campo del controllo della corsa agli armamenti nucleari, come vedremo.
Gli antineutrini rivelati dal gruppo di Haag sono quelli prodotti nel corso d’una reazione di fissione nucleare. Reazione che, oltre a raggi gamma e neutroni, produce per l’appunto un cospicuo numero di antineutrini, sparati alla velocità della luce e praticamente inafferrabili. Con particolari rivelatori, però, è possibile tracciarne il passaggio e ottenerne lo spettro, la firma caratteristica. Firma che varia in base all’isotopo all’origine della fissione. Dei quattro isotopi comunemente coinvolti in un reattore nucleare, per uranio 235, plutonio 239 e plutonio 241 la firma dello spettro dei corrispondenti antineutrini è nota sin dagli anni Ottanta. Quello che fino a oggi mancava all’appello era lo spettro per gli antineutrini dovuti all’uranio 238, che contribuiscono grosso modo per un decimo al flusso complessivo di antineutrini.
Una fetta piccola ma cruciale, quel 10 percento: senza poterla misurare, era pressoché impossibile ricostruire l’intera torta, e di conseguenza il dosaggio dei suoi ingredienti. La difficoltà nel misurarla è dovuta al fatto che per innescare la fissione dell’uranio 238, a differenza di quella degli altri tre isotopi, è richiesto un flusso considerevole di neutroni veloci. Flusso che il team guidato da Haag è riuscito a procurarsi tramite lo strumento NECTAR dell’apparato di radiografia e tomografia installato presso il reattore di ricerca FRM II.
Ora che la ricetta non ha più segreti, si apre la strada per scoprire quale combustibile sta bruciando all’interno d’un reattore nucleare. Ma in che modo quest’informazione può permetterci di dedurre se il reattore è utilizzato solo per scopi civili o anche a fini bellici? Come possono gli antineutrini dirci se qualcuno sta barando? Media INAF lo ha chiesto a Nils Haag.
«Uranio e plutonio emettono una quantità di antineutrini differente, e con spettri completamente diversi. Analizzandoli è dunque possibile, per esempio, capire se qualcuno sta sottraendo plutonio puro a sufficienza per scopi bellici (weapon-grade plutonium). La stessa IAEA, l’International Atomic Energy Agency, sta cercando di capire fino a che punto questo metodo sia utilizzabile per monitorare un reattore».
E lo è, secondo lei?
«Al momento, quello che abbiamo sono prototipi di rivelatori, installati vicino ai reattori nucleari per misurare il flusso di antineutrini da reazioni nucleari. Il livello di sensibilità è però ancora basso. Volendo quantificare, diciamo che, se venissero sostituiti con uranio almeno 80 kg di plutonio, con un rivelatore a 15-20 metri di distanza dal reattore avremmo circa tre probabilità su quattro d’accorgerci dell’anomalia. Ma, appunto, è ancora solo un prototipo».
Concretamente, supponendo per esempio che gli ispettori dell’Onu volessero verificare con il vostro metodo se i reattori iraniani sono davvero utilizzati solo a scopi civili, potrebbero portarsi appresso una valigetta con il rivelatore di antineutrini, per capirlo?
«Be’, lo scenario più probabile è che venga installato un rivelatore fisso nei pressi dei reattori che la IAEA vuole tenere sotto controllo. In ogni caso, se vogliamo pensare a un rivelatore portatile, dobbiamo immaginare un oggetto da sei o sette metri di lunghezza e con un peso di parecchie tonnellate: insomma, più simile a un container che a una valigetta».
Una curiosità: gli antineutrini sono fra i candidati – insieme alla loro controparte, i neutrini – a fermioni di Majorana, ovvero ipotetiche particelle che coincidono con le loro antiparticelle. I suoi studi ci dicono qualcosa, al riguardo?
«Il nostro esperimento non si occupa di questo aspetto. Ma da quel che possiamo vedere, a oggi, neutrini e antineutrini sono particelle diverse, proprio come elettroni e positroni. In ogni caso, quelli che il nostro esperimento osserva sono sicuramente antineutrini».
Per saperne di più:
- Leggi su Phys. Rev. Lett. l’articolo “Experimental Determination of the Antineutrino Spectrum of the Fission Products of U238“, di N. Haag, A. Gütlein, M. Hofmann, L. Oberauer, W. Potzel, K. Schreckenbach e F. M. Wagner