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Atlante delle reazioni

Atlante delle reazioni

Una storia dell'astrofisica nucleare

Come abbiamo capito che cosa alimenta le stelle: le idee, le misure, le osservazioni che le hanno messe alla prova e i laboratori che hanno reso possibili le misure.

Anni '20

  1. ago. 1920

    Eddington propone che le stelle brucino idrogeno in elio

    Teoria

    In un discorso alla British Association a Cardiff, Arthur Eddington osservò che un nucleo di elio pesa meno di quattro nuclei di idrogeno. Sostenne che la massa persa quando l'idrogeno si trasforma in elio dentro le stelle sarebbe stata liberata come energia, abbastanza da farle brillare per moltissimo tempo. Come ciò potesse avvenire non era ancora noto.

  2. 1928

    Gamow spiega come le particelle attraversano la barriera coulombiana

    Teoria

    George Gamow usò la nuova meccanica quantistica per spiegare il decadimento alfa. Una particella può attraversare la repulsione elettrica tra i nuclei, la barriera coulombiana, anche quando la sua energia è troppo bassa per superarla. Questo effetto, detto effetto tunnel, è ciò che rende possibile la fusione nucleare nelle stelle.

  3. 1929

    Atkinson e Houtermans applicano l'effetto tunnel alle stelle

    Teoria

    Robert Atkinson e Fritz Houtermans usarono il risultato di Gamow per stimare quanto spesso i nuclei leggeri si fondono alle temperature dell'interno delle stelle. Trovarono che l'effetto tunnel rende queste reazioni abbastanza frequenti da alimentare una stella. Il loro articolo è spesso considerato l'inizio dell'astrofisica nucleare.

Anni '30

  1. 1938

    Von Weizsäcker e il ciclo carbonio-azoto

    Teoria

    In due articoli sulla Physikalische Zeitschrift, Carl Friedrich von Weizsäcker discusse quali reazioni nucleari potessero alimentare le stelle. Il secondo articolo proponeva un ciclo in cui nuclei di carbonio e azoto aiutano a trasformare l'idrogeno in elio e alla fine vengono restituiti. Le sue note e lettere mostrano che anche dopo il 1939, quando si dedicò alla fissione e alle ricerche di guerra, continuò a riflettere sulle stelle di neutroni e sulla cosmologia.

  2. ago. 1938

    Bethe e Critchfield descrivono la fusione protone-protone

    Teoria

    Hans Bethe e Charles Critchfield calcolarono il tasso con cui due protoni si fondono in un deutone, emettendo un positrone e un neutrino. Questo lentissimo processo di interazione debole è il primo passo della catena protone-protone che alimenta il Sole.

  3. mar. 1939

    “Energy production in stars” di Bethe

    Teoria

    Hans Bethe elaborò nei dettagli il ciclo carbonio-azoto e ne stimò il tasso. Concluse che nelle stelle carbonio e azoto agiscono da catalizzatori che fondono i protoni in elio. Insieme alla catena protone-protone, questa è ancora la base della nostra comprensione della combustione dell'idrogeno.

Anni '40

  1. 1946

    Los Alamos giudica molto improbabile l'incendio dell'atmosfera

    Teoria · Esperimento

    Nel 1942 Edward Teller si era chiesto se una bomba a fissione potesse innescare la combustione dell'azoto nell'aria. Hans Bethe giudicò molto bassa la probabilità, e nel 1946 Emil Konopinski, Cloyd Marvin e Teller trovarono che, nelle loro ipotesi, l'energia persa per irraggiamento supera sempre quella guadagnata dalla fusione di due nuclei di azoto-14; chiesero comunque altri studi. A Notre Dame, esperimenti segreti con l'acceleratore negli anni Quaranta studiarono quanto efficacemente l'aria raffreddi la palla di fuoco di un'esplosione nucleare. L'esperienza acquisita confluì nell'astrofisica nucleare del dopoguerra.

  2. apr. 1948

    Alpher, Bethe e Gamow sull'Universo primordiale caldo

    Teoria

    Ralph Alpher e George Gamow proposero che gli elementi leggeri si fossero formati nei primi istanti di un Universo caldo e in espansione. Gamow aggiunse il nome di Bethe perché gli autori suonassero come le prime tre lettere dell'alfabeto greco. Da quell'idea nacque la teoria della nucleosintesi primordiale, anche se si scoprì poi che gli elementi più pesanti si formano nelle stelle.

Anni '50

  1. 1952

    Il processo tre alfa di Salpeter

    Teoria

    Edwin Salpeter mostrò come l'elio possa bruciare nelle giganti rosse. Due nuclei di elio formano l'instabile 8Be, che vive appena abbastanza da catturare un terzo nucleo di elio e diventare carbonio. Svolse questo lavoro al Kellogg Radiation Laboratory del Caltech, con William Fowler, nell'estate del 1951.

  2. 1952

    Il tecnezio viene trovato nelle giganti rosse

    Osservazione

    Paul Merrill trovò le righe del tecnezio negli spettri delle giganti rosse di classe S. Il tecnezio non ha isotopi stabili, e anche i più longevi durano solo pochi milioni di anni, molto meno dell'età di quelle stelle. Doveva essere stato prodotto al loro interno: la prima prova diretta che le stelle costruiscono gli elementi, con le catture lente di neutroni del processo s.

  3. nov. 1953

    Viene scoperto lo stato a 7,68 MeV del carbonio-12

    Esperimento

    Al Caltech, Dunbar, Pixley, Wenzel e Whaling trovarono uno stato eccitato del 12C a 7,68 ± 0,03 MeV nella reazione 14N(d,α)12C. Fred Hoyle aveva fatto notare che un tale stato avrebbe reso il processo tre alfa abbastanza veloce da produrre il carbonio che osserviamo. Oggi è chiamato stato di Hoyle.

  4. 1954

    Hoyle sulla sintesi degli elementi nelle stelle calde

    Teoria

    Fred Hoyle sostenne che gli elementi dal carbonio al nichel sono prodotti alle alte temperature raggiunte all'interno delle stelle massicce nelle ultime fasi della loro vita. L'articolo espose l'idea che la maggior parte degli elementi sia stata prodotta dalle stelle, non dal Big Bang.

  5. 1957

    Cook, Fowler e i Lauritsen confermano lo stato di Hoyle

    Esperimento

    Al Kellogg Radiation Laboratory, Cook, Fowler, C. C. Lauritsen e T. Lauritsen studiarono il decadimento del 12B verso lo stato a 7,65 MeV del 12C e la sua rottura in tre particelle alfa. Conclusero che lo stato poteva essere la risonanza di cui Hoyle aveva bisogno per la combustione dell'elio nelle giganti rosse.

  6. giu. 1957

    Le lezioni di Cameron sulla nucleogenesi

    Teoria

    Alastair Cameron, a Chalk River in Canada, pubblicò un resoconto indipendente di come gli elementi vengono prodotti nelle stelle. Tra gli altri risultati indicò le due reazioni che forniscono i neutroni per la cattura neutronica lenta, 13C(α,n)16O e 22Ne(α,n)25Mg.

  7. ott. 1957

    L'articolo B2FH

    Teoria

    Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge, William Fowler e Fred Hoyle pubblicarono una rassegna di 104 pagine su come gli elementi vengono prodotti nelle stelle. Classificava i processi secondo le reazioni nucleari coinvolte, comprese la cattura neutronica lenta e rapida, e li confrontava con le abbondanze misurate nel Sistema Solare. È nota con le iniziali degli autori, B2FH.

Anni '60

  1. 1961

    Il processo s come catena di catture di neutroni

    Teoria

    Donald Clayton, William Fowler, Thomas Hull e Barbara Zimmerman calcolarono come si accumulano le abbondanze lungo una lunga catena di catture lente di neutroni e confrontarono il risultato con le abbondanze osservate degli elementi pesanti, per il processo lento che B2FH aveva individuato.

  2. 1964

    Bahcall propone un esperimento sui neutrini solari con il cloro

    Teoria

    John Bahcall calcolò il tasso con cui i neutrini solari avrebbero trasformato il cloro in argon in una grande vasca sotterranea. Il tasso era dominato dai rari neutrini di alta energia del decadimento dell'8B, ed era abbastanza grande da rendere l'esperimento realizzabile. Raymond Davis descrisse il rivelatore in un articolo gemello sulla stessa rivista.

  3. mag. 1968

    Davis rivela i neutrini solari, e nasce il problema dei neutrini solari

    Osservazione

    Raymond Davis e colleghi contarono gli atomi di argon prodotti dai neutrini solari in una grande vasca di liquido contenente cloro nella miniera di Homestake, in South Dakota. Nello stesso numero, John Bahcall e collaboratori mostrarono che i modelli solari prevedevano un tasso circa 2,5 volte più alto del limite di Davis. La discrepanza divenne nota come problema dei neutrini solari.

Anni '80

  1. 1983

    Premio Nobel a Fowler e Chandrasekhar

    Esperimento

    William Fowler condivise il premio Nobel per la Fisica con Subrahmanyan Chandrasekhar. La metà di Fowler riconosceva i suoi studi sperimentali e teorici delle reazioni nucleari che formano gli elementi chimici, in gran parte svolti al Kellogg Radiation Laboratory del Caltech.

  2. 1984

    Il 26Al radioattivo viene osservato nella Galassia

    Osservazione

    Lo spettrometro γ al germanio del satellite HEAO 3 rivelò la riga a 1809 keV emessa quando il 26Al decade. Era la prima riga γ di un nucleo radioattivo trovata nella Galassia. Il flusso implicava circa tre masse solari di 26Al nel mezzo interstellare, tutto prodotto negli ultimi pochi milioni di anni.

  3. 1987

    Neutrini dalla supernova SN 1987A

    Osservazione

    Una stella esplose nella Grande Nube di Magellano, e il rivelatore Kamiokande-II in Giappone registrò undici eventi di neutrini in circa 13 secondi. Anche il rivelatore IMB negli Stati Uniti vide il lampo. Fu la prima rivelazione di neutrini da una stella diversa dal Sole.

  4. 1987

    Polvere di stelle AGB in un meteorite

    Osservazione

    Nel meteorite di Murray furono trovati grani di carburo di silicio di meno di un micrometro, con composizioni isotopiche diverse da tutto ciò che si è formato nel Sistema Solare. Si condensarono intorno a giganti rosse prima che nascesse il Sole. Gli elementi pesanti intrappolati in questi grani portano l'impronta del processo s di una singola stella, misurata atomo per atomo in laboratorio.

  5. 1989

    Kamiokande-II vede i neutrini solari dell'8B

    Osservazione

    Il rivelatore ad acqua Kamiokande-II misurò in tempo reale i neutrini solari di alta energia dal decadimento dell'8B. In 450 giorni trovò circa metà del flusso previsto dal modello solare standard, confermando con una tecnica diversa il deficit visto a Homestake.

Anni '90

  1. dic. 1991

    SAGE, il primo esperimento al gallio

    Osservazione

    Il Soviet–American Gallium Experiment a Baksan usava circa 30 tonnellate di gallio, che cattura i neutrini di bassa energia della fusione protone-protone. Il suo primo risultato era ben al di sotto della previsione dei modelli solari.

  2. 1992

    GALLEX osserva i neutrini pp al Gran Sasso

    Osservazione

    Il rivelatore al gallio GALLEX, ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, misurò 83 ± 19 (stat.) ± 8 (sist.) SNU. La collaborazione presentò il risultato come la prima osservazione dei neutrini della fusione protone-protone, la reazione che avvia la produzione di energia del Sole.

  3. ott. 1994

    LUNA, il primo acceleratore sotterraneo

    LUNA

    Un piccolo acceleratore da 50 kV fu installato in profondità sotto il Gran Sasso, dove la roccia ferma la maggior parte dei raggi cosmici. Aveva un bersaglio gassoso senza finestre ed era costruito per misurare 3He(3He,2p)4He alle energie a cui la reazione avviene nel Sole. L'articolo che descrive l'apparato uscì nel 1994.

  4. 1996

    Un anello di accumulazione mostra che il renio-187 nudo decade in pochi anni

    Esperimento

    Il renio-187 vive circa 42 miliardi di anni come atomo neutro. Privato di tutti i suoi elettroni nell'anello di accumulazione del GSI, decadde con un tempo di dimezzamento di 32,9 anni, perché il suo elettrone può allora nascere in un'orbita atomica vuota. Dentro le stelle, dove gli atomi sono ionizzati, i tempi di dimezzamento di laboratorio possono quindi cambiare del tutto; il risultato tocca anche l'orologio renio–osmio usato per datare la Galassia.

  5. 1998

    Super-Kamiokande scopre le oscillazioni dei neutrini

    Osservazione

    Super-Kamiokande trovò meno neutrini muonici atmosferici del previsto, e il deficit dipendeva da quanta strada i neutrini avevano percorso attraverso la Terra. I dati si spiegano con neutrini che cambiano tipo, cioè oscillano, lungo il percorso. L'oscillazione richiede che i neutrini abbiano massa.

  6. 1998

    Solar Fusion I

    Teoria

    Un gruppo di sperimentatori e teorici passò in rassegna le reazioni nucleari che producono l'energia del Sole e i suoi neutrini. Fornirono fattori S raccomandati a bassa energia, con le loro incertezze, e indicarono gli esperimenti e i calcoli necessari per migliorarli.

  7. 1999

    La compilazione NACRE

    Teoria

    La collaborazione NACRE raccolse le sezioni d'urto misurate delle reazioni con particelle cariche della combustione stellare di idrogeno, elio e carbonio. Le trasformò in tassi di reazione termonucleari in un formato comune, usato per molti anni da chi costruisce modelli stellari.

  8. 1999

    LUNA misura 3He + 3He dentro il picco di Gamow solare

    LUNA

    Con l'acceleratore da 50 kV, LUNA misurò la fusione di due nuclei di 3He fino a 16,5 keV, un'energia a cui la reazione avviene davvero nel Sole. Non fu trovata alcuna risonanza stretta. Una risonanza del genere era stata proposta come spiegazione nucleare del problema dei neutrini solari.

Anni 2000

  1. 2000

    Una compilazione delle sezioni d'urto stellari di cattura neutronica

    Esperimento

    Bao, Beer, Käppeler, Voss, Wisshak e Rauscher passarono in rassegna le sezioni d'urto di cattura neutronica misurate per i nuclei dall'idrogeno al bismuto e raccomandarono valori stellari a un'energia termica di 30 keV, con calcoli dove non esisteva una misura. Divenne il riferimento per i modelli del processo s, e oggi prosegue nella banca dati KADoNiS.

  2. 2001

    Vengono scoperte tre stelle al piombo

    Osservazione

    Van Eck, Goriely, Jorissen e Plez trovarono tre stelle antiche, povere di ferro, arricchite di piombo più che di qualunque altro elemento più pesante del ferro. Con meno semi di ferro per gli stessi neutroni, in queste stelle il processo s arriva fino al piombo, come avevano previsto i modelli delle stelle AGB.

  3. 2002

    SNO mostra che i neutrini solari cambiano sapore

    Osservazione

    Il Sudbury Neutrino Observatory in Canada usò acqua pesante per misurare sia i neutrini elettronici sia il numero totale di neutrini di tutti i tipi provenienti dal decadimento dell'8B nel Sole. Il totale era in accordo con i modelli solari, ma solo circa un terzo arrivava come neutrini elettronici. Il problema dei neutrini solari era dovuto alla fisica dei neutrini, non al Sole.

  4. dic. 2002

    Premio Nobel a Davis e Koshiba

    Osservazione

    Raymond Davis e Masatoshi Koshiba ricevettero il premio Nobel per la Fisica per il loro lavoro sui neutrini provenienti dallo spazio. In 25 anni l'esperimento di Homestake catturò circa 2200 neutrini solari, un terzo del numero previsto. Kamiokande confermò il deficit e rivelò i neutrini della SN 1987A.

  5. 2003

    L'acceleratore LUNA da 400 kV

    LUNA

    Al Gran Sasso fu installato un secondo acceleratore, più grande. L'energia del suo fascio di protoni è nota entro circa 300 eV, la dispersione in energia è inferiore a 100 eV e la deriva è di soli 5 eV circa all'ora. Questa stabilità permette le lunghe misure necessarie per sezioni d'urto molto piccole.

  6. 2004

    LUNA misura 14N(p,γ)15O sotto terra

    LUNA

    LUNA misurò la reazione più lenta del ciclo CNO a energie più basse di quelle raggiungibili dai laboratori in superficie, con un bersaglio solido e un rivelatore al germanio. Il fattore S estrapolato a energia zero, 1,7 ± 0,2 keV b, era più basso che nelle compilazioni precedenti: il ciclo CNO procede quindi più lentamente di quanto si pensasse.

  7. 2004

    Un punto di diramazione radioattivo del processo s misurato a n_TOF

    Esperimento

    All'impianto n_TOF del CERN la sezione d'urto di cattura neutronica del samario-151, che vive circa 95 anni, fu misurata su un campione radioattivo da 1 eV a 1 MeV. Il valore stellare risultò ben al di sopra delle previsioni teoriche usate fino ad allora.

  8. 2006

    14N(p,γ)15O fino a 70 keV

    LUNA

    Con un bersaglio di azoto gassoso circondato da un grande rivelatore, LUNA misurò la 14N(p,γ)15O fino a 70 keV. A quell'energia la sezione d'urto è di soli 0,24 picobarn: nessun esperimento si era mai spinto così vicino alle energie solari.

  9. 2007

    La fusione 12C + 12C misurata vicino alla finestra di Gamow

    Esperimento

    Al Dynamitron di Bochum, Spillane e colleghi misurarono la fusione del carbonio fino a 2,1 MeV, con bersagli di carbonio quasi privi di idrogeno. Trovarono una forte risonanza a 2,14 MeV, che aumenta di circa cinque volte il tasso di uno dei rami intorno a 0,8 GK, e mostrarono quanto sia incerta ogni estrapolazione a energie più basse.

  10. ago. 2007

    Borexino rivela in tempo reale i neutrini solari del 7Be

    Osservazione

    Il rivelatore a scintillatore liquido Borexino, ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, misurò uno per uno i neutrini da 0,862 MeV della cattura elettronica del 7Be nel Sole. Fu la prima misura in tempo reale di neutrini solari sotto 1 MeV.

Anni 2010

  1. 2011

    Solar Fusion II

    Teoria

    Un gruppo di sperimentatori e teorici passò in rassegna le sezioni d'urto della catena protone-protone e dei cicli CNO e raccomandò i valori da usare nei modelli solari. La rassegna seguiva una precedente del 1998.

  2. ago. 2014

    Borexino vede i neutrini pp

    Osservazione

    Borexino misurò lo spettro dei neutrini della fusione protone-protone, la prima reazione della catena principale del Sole. La collaborazione stimò che questa catena produce circa il 99% della potenza del Sole.

  3. 2015

    Premio Nobel a Kajita e McDonald

    Osservazione

    Takaaki Kajita (Super-Kamiokande) e Arthur McDonald (SNO) condivisero il premio Nobel per la Fisica per aver mostrato che i neutrini cambiano tipo durante il viaggio. Questo significa che i neutrini hanno massa.

  4. 2017

    Primo fascio a CASPAR

    Infrastruttura

    Un acceleratore trasferito da Notre Dame al livello 4850 ft della Sanford Underground Research Facility, in South Dakota, fornì il suo primo fascio. È il primo acceleratore sotterraneo per l'astrofisica nucleare negli Stati Uniti, nella miniera dove Davis aveva contato i neutrini solari.

  5. 2017

    Una rassegna sulla 12C(α,γ)16O

    Teoria

    deBoer e colleghi raccolsero le misure della 12C(α,γ)16O, la reazione che fissa quanto carbonio e quanto ossigeno lascia la combustione dell'elio, e le adattarono insieme con un'analisi R-matrix. Studiarono anche come la sua incertezza si rifletta sui modelli stellari.

  6. ago. 2017

    La coalescenza di due stelle di neutroni produce elementi pesanti

    Osservazione

    Il 17 agosto 2017 i rivelatori LIGO e Virgo registrarono le onde gravitazionali emesse da due stelle di neutroni in coalescenza. I telescopi trovarono poi il bagliore dell'esplosione, una kilonova. I suoi spettri mostravano elementi prodotti dalla cattura neutronica rapida, il processo r.

  7. mag. 2018

    Risonanze nella fusione del carbonio con il cavallo di Troia, e un dibattito

    Esperimento

    Con il metodo indiretto del cavallo di Troia, ai LNS di Catania, Tumino e colleghi riportarono risonanze nella fusione del carbonio alle energie stellari, che aumentano il tasso di oltre 25 volte intorno a 0,5 GK. L'analisi fu presto contestata, e le misure dirette del 2020 a Orsay e a Notre Dame non videro un tale aumento.

  8. lug. 2019

    Apre il laboratorio sotterraneo con acceleratore Felsenkeller

    Infrastruttura

    HZDR e TU Dresden inaugurarono un acceleratore da 5 MV sotto 45 m di roccia nelle gallerie Felsenkeller di Dresda. La roccia riduce il flusso di muoni cosmici di un fattore 40. Con un veto attivo per i muoni, il fondo è circa il doppio di quello di un laboratorio sotterraneo profondo.

Anni 2020

  1. nov. 2020

    LUNA misura la combustione del deuterio per la cosmologia

    LUNA

    LUNA misurò con alta precisione d(p,γ)3He alle energie della nucleosintesi primordiale. Con questo tasso, la quantità osservata di deuterio primordiale dà la densità della materia ordinaria nell'Universo all'1,6%, in accordo con la radiazione cosmica di fondo.

  2. nov. 2020

    Borexino rivela i neutrini CNO

    Osservazione

    Borexino riportò la prima osservazione sperimentale dei neutrini del ciclo CNO nel Sole. Mostra direttamente che il ciclo è attivo nelle stelle. Nel Sole fornisce circa l'1% dell'energia.

  3. 2022

    Un acceleratore da 3,5 MV viene installato sotto il Gran Sasso

    LUNA

    Un acceleratore Singletron da 3,5 MV, costruito da High Voltage Engineering Europa, fu installato nel laboratorio sotterraneo del Gran Sasso: è la macchina MV della Bellotti Ion Beam Facility (BIBF). Fornisce fasci di protoni, elio e carbonio, così che la combustione dell'elio e del carbonio si possa studiare sotto terra.

  4. ott. 2022

    JUNA misura 19F(p,γ)20Ne sotto terra

    Esperimento

    L'acceleratore JUNA, sotto circa 2400 m di roccia al China Jinping Underground Laboratory, misurò la 19F(p,γ)20Ne fino a 186 keV e trovò una risonanza a 225 keV. Intorno a 0,1 GK il nuovo tasso è fino a 7,4 volte quello precedente. La reazione fa uscire materia dal ciclo CNO, e il tasso più alto potrebbe spiegare il calcio in una delle stelle più antiche che si conoscano.

  5. ott. 2023

    Inaugurazione della Bellotti Ion Beam Facility

    LUNA

    Il laboratorio sotterraneo con acceleratore fu inaugurato e intitolato a Enrico Bellotti, il primo direttore dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, che vi avviò la fisica con acceleratori sotto terra. È aperto a utenti esterni, con il tempo di fascio assegnato tramite bandi annuali.

  6. nov. 2024

    Misurato il decadimento stellare del tallio-205

    Esperimento

    Ioni nudi di tallio-205, in circolazione nell'anello di accumulazione del GSI, decaddero in piombo-205 per decadimento β in stato legato, con un tempo di dimezzamento di 291 giorni. Nelle stelle questo decadimento produce piombo-205, un nucleo radioattivo le cui tracce nei meteoriti aiutano a datare la nascita del Sole; la misura, attesa da tempo, fissa un dato nucleare chiave di quell'orologio.

  7. 2025

    Solar Fusion III

    Teoria

    Una nuova rassegna raccolse i dati e la teoria sulla combustione dell'idrogeno nel Sole e nelle altre stelle apparsi dopo Solar Fusion II. Fornisce fattori S raccomandati, con le loro incertezze, per la catena protone-protone e i cicli CNO.

  8. ago. 2026

    Misurata la cattura neutronica sul niobio-94 radioattivo

    Esperimento

    I grani di polvere stellare più antichi del Sole contengono più molibdeno-94 di quanto prevedessero i modelli precedenti. La sua produzione dipende dal niobio-94, un punto di diramazione radioattivo del processo s, dove la cattura neutronica compete con il decadimento. A n_TOF, al CERN, la sua sezione d'urto di cattura è stata misurata per la prima volta. Il risultato conferma la scala generale delle stime teoriche; usato in modelli completamente accoppiati di stelle giganti di piccola massa, insieme alla loro fisica migliorata, li mette d'accordo con i grani.