Così si formano i nuclei leggeri

Come nascono i nuclei leggeri in uno degli ambienti più energetici mai ricreati in laboratorio? A rispondere a una delle questioni più discusse della fisica nucleare è oggi l’esperimento ALICE del CERN, che ha identificato il meccanismo principale responsabile della formazione di nuclei e antinuclei leggeri nelle collisioni tra protoni ad altissima energia.

I risultati, pubblicati il 10 dicembre 2025 sulla rivista Nature, hanno implicazioni che vanno ben oltre la fisica delle particelle, toccando astrofisica, cosmologia e persino la ricerca della materia oscura.

Collisioni estreme, sistemi fragili

All’interno del Large Hadron Collider, protoni e nuclei più pesanti vengono fatti collidere a velocità prossime a quella della luce. Da questi impatti nascono decine di nuove particelle, rilevate da giganteschi apparati sperimentali come ALICE. Tra queste compaiono anche nuclei leggeri, come il deutone, composto da un protone e un neutrone legati dall’interazione forte.

La particolarità del deutone è la sua estrema fragilità: l’energia che tiene uniti i suoi costituenti è di appena 2 MeV. Comprendere come un sistema così delicato possa formarsi – e sopravvivere – in un ambiente dominato da energie enormi è stato per decenni un problema aperto.

La chiave: la femtoscopia

Nel nuovo studio, la Collaborazione ALICE, a cui partecipa anche l’INFN, ha utilizzato una tecnica avanzata nota come femtoscopia. Il metodo analizza le correlazioni tra coppie di particelle prodotte con direzioni e velocità molto simili, permettendo di ricostruire i processi microscopici che portano alla loro formazione.

Studiando in particolare le coppie deutone–pione, i ricercatori hanno osservato un picco ben definito nelle correlazioni, una firma sperimentale che ha permesso di risalire all’origine del processo.

Una formazione “a due tempi”

I dati indicano che il deutone non nasce direttamente dalla collisione, ma attraverso un processo sequenziale. Tutto inizia con il decadimento di una risonanza di breve durata, la Δ (Delta), uno stato eccitato del protone. Dal decadimento emergono un protone e un pione; il protone, trovando un neutrone nelle vicinanze, può fondersi con esso formando un deutone, mentre il pione porta via l’energia in eccesso, consentendo al nucleo di restare stabile.

«Questo studio conferma che la formazione dei deutoni in queste collisioni è un processo sequenziale», spiega Oton Vazquez Doce, ricercatore dei Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN e membro della Collaborazione ALICE. «Prima la risonanza decade producendo nucleoni, poi questi nucleoni si uniscono per formare nuclei leggeri. Questa formazione sequenziale indica che i deutoni emergono in una fase successiva e più fredda della collisione, aumentando le loro possibilità di sopravvivenza».

Le analisi mostrano che circa il 90% dei deutoni e antideutoni osservati nasce proprio attraverso questo meccanismo, fornendo una conferma sperimentale chiara e quantitativa.

Dalla fisica fondamentale al cosmo

Le implicazioni vanno oltre i confini del laboratorio. «Nuclei e antinuclei leggeri vengono prodotti anche nelle interazioni dei raggi cosmici e potrebbero comparire come sottoprodotti del decadimento della materia oscura», osserva Andrea Dainese, della Sezione INFN di Padova e della Collaborazione ALICE. Comprendere nel dettaglio i meccanismi di formazione diventa quindi cruciale per distinguere i processi astrofisici ordinari da possibili segnali di nuova fisica.

Un rivelatore, molte frontiere

Progettato per studiare il plasma di quark e gluoni, lo stato primordiale della materia che permeava l’Universo subito dopo il Big Bang, ALICE si conferma uno strumento estremamente versatile. «L’esperimento offre nuovi preziosi elementi sperimentali che si estendono all’astrofisica, alla cosmologia e ad altri settori della fisica fondamentale», sottolinea Federico Antinori, responsabile nazionale della Collaborazione ALICE.

Un risultato che non solo risolve una questione storica della fisica nucleare, ma rafforza il legame tra microcosmo delle particelle e grandi enigmi dell’Universo, dimostrando come dagli acceleratori di particelle possano arrivare risposte fondamentali sulla natura della materia e del cosmo.