Lo studio della nucleosintesi degli elementi presenti sulla terra e, in generale, nell’universo, è un ambito di ricerca fondamentale finalizzato alla comprensione dei meccanismi di produzione dei diversi elementi, sia quelli più leggeri (idrogeno, deuterio, elio, litio), creati durante la Big Bang Nucleosynthesis, sia quelli più pesanti, sintetizzati nei nuclei delle stelle o in fasi specifiche dell’evoluzione stellare. La linea di ricerca si prefigge lo studio e la misura dei processi nucleari che partecipano alla formazione degli elementi in ambito astrofisico, estendendo le misure delle sezioni d’urto dei processi nucleari di rilievo – fino ad oggi misurati principalmente in laboratorio, con gli elementi in forma neutra – all’ambiente di plasma, dove essi compaiono nella loro forma ionizzata. Quest’ultimo scenario riproduce più accuratamente, infatti, l’ambiente stellare in cui i processi avvengono in natura, e permette una stima più realistica dei parametri di interesse.

Gli elementi presenti sulla terra e le relative abbondanze rappresentano un’osservabile di rilievo nell’ambito della fisica fondamentale. I nuclei degli elementi che popolano la tavola periodica sono stati prodotti in diverse fasi: quelli più leggeri (idrogeno, deuterio, elio, litio) durante la cosiddetta Big Bang Nucleosynthesis, che ha avuto luogo entro pochi minuti dal Big Bang e che, in un processo di espansione e raffreddamento, ha portato alla transizione dai gradi di libertà elementari – i quark e i gluoni – a gradi di libertà più complessi, quali i nucleoni e, combinando questi ultimi, ai nuclei leggeri.

La successiva fase di sintesi, che ha prodotto gli elementi fino al ferro, ha invece luogo all’interno del nucleo stellare, dove le condizioni termodinamiche permettono di raggiungere stati di densità ed energia tali da superare la barriera Coulombiana e dare luogo al processo di fusione. Quest’ultimo risulta energeticamente favorito fino al ferro; dopo tale elemento l’energia di legame tende invece a diminuire con il numero atomico e il processo di fusione non è più spontaneo. La sintesi degli elementi oltre il ferro avviene quindi attraverso processi diversi, basati sulla cattura neutronica da parte di nuclei pesanti. Aggiungendo un neutrone a un nucleo atomico, infatti, si prospettano due differenti esiti: se il decadimento beta del nucleo prodotto è meno probabile di un’ulteriore cattura neutronica l’elemento tenderà a formare un isotopo più pesante catturando un ulteriore neutrone, ma mantenendo invariate le proprietà elettromagnetiche. Se, al contrario, il nucleo decade per decadimento beta, uno dei neutroni si trasformerà in un protone, incrementando il numero atomico e trasformando l’elemento di partenza nel successivo della tavola periodica.

La fisica nucleare svolge quindi un ruolo fondamentale nello studio delle abbondanze relative degli elementi dell’universo: un’accurata misura delle sezioni d’urto per i processi di fusione, di cattura neutronica e delle vite medie per decadimento beta risulta strategica per valutare la competizione tra i possibili processi e stimare quale di essi avrà luogo.

Ad oggi, sono presenti misure di sezioni d’urto e vite medie realizzate con elementi neutri. Tuttavia, nell’ambiente stellare gli elementi compaiono in forma ionizzata, e per produrre modelli realistici dei fenomeni che avvengono in ambiente stellare è necessario tenere conto dello stato di ionizzazione dell’elemento. Il progetto si prefigge quindi la definizione e la realizzazione di una campagna sperimentale volta alla misura dei processi di fusione e delle vite medie per decadimento beta in ambiente ionizzato. Quest’ultimo può essere creato attraverso un laser ad alta intensità, che raggiungendo un bersaglio composto dall’isotopo da analizzare produce un’immediata ionizzazione dello stesso portando alla formazione di un plasma, le cui caratteristiche possono essere controllate calibrando opportunamente l’intensità del laser e le caratteristiche del bersaglio al fine di riprodurre il più accuratamente possibile l’ambiente stellare. Dato il carattere innovativo dell’approccio è necessaria un’attività preliminare volta all’identificazione delle osservabili di rilievo – anche in funzione dei modelli teorici disponibili – per la caratterizzazione dei processi nucleari, alla definizione di un opportuno apparato di misura che permetta di operare in ambienti con alti impulsi elettromagnetici (come quelli prodotti dal laser) e all’ottimizzazione del sistema di rivelazione, che dovrà presentare opportune caratteristiche in termini di efficienza e tempi di reazione, così da essere efficace nella ricostruzione dello stato finale dei processi.