Um átomo perfeitamente equilibrado quebrou uma das maiores regras da física nuclear

Até agora, todos os exemplos conhecidos ocorreram em núcleos muito instáveis ​​e ricos em nêutrons. Exemplos incluem berílio-12 (N = 8), magnésio-32 (N = 20) e cromo-64 (N = 40). Todos estes estão longe dos elementos estáveis ​​comumente encontrados na natureza.

Cientistas encontram uma ilha nuclear surpreendente

Um novo estudo realizado por uma equipe de pesquisa internacional descobriu algo inesperado. Cientistas do Centro de Estudos Nucleares Exóticos, do Instituto de Ciências Básicas (IBS), da Universidade de Pádua, da Universidade Estadual de Michigan, da Universidade de Estrasburgo e de várias outras instituições identificaram uma Ilha de Inversão em um lugar que ninguém previu.

Em vez de aparecer em núcleos pesados ​​de nêutrons, a região recém-descoberta existe em uma das partes mais simétricas do mapa nuclear. Nesta região, o número de prótons e nêutrons é igual.

Estudando isótopos raros de molibdênio

Os pesquisadores se concentraram em dois isótopos de molibdênio: molibdênio-84 (Z = N = 42) e molibdênio-86 (Z = 42, N = 44). Ambos ficam ao longo do N = Z linha, que é especialmente importante na física nuclear. No entanto, esses isótopos são extremamente difíceis de estudar porque são difíceis de criar em experimentos de laboratório.

Usando feixes de isótopos raros da Universidade Estadual de Michigan e detectores de raios gama altamente sensíveis, a equipe mediu a vida útil de estados nucleares excitados com precisão na escala de picossegundos.

Para gerar o feixe necessário, os cientistas aceleraram os íons Mo-92 e os dispararam contra um alvo de berílio, produzindo núcleos de Mo-86 em movimento rápido. Um separador A1900 foi usado para isolar os fragmentos desejados das muitas partículas produzidas durante a colisão. O feixe do Mo-86 foi então direcionado para um segundo alvo. Durante esta etapa, alguns núcleos ficaram excitados, enquanto outros perderam dois nêutrons e se transformaram em Mo-84.

À medida que estes núcleos regressavam aos seus estados de energia mais baixos, emitiam raios gama que forneciam pistas sobre a sua estrutura interna.

Medições de raios gama revelam estrutura nuclear

Os raios gama emitidos foram detectados com GRETINA, um detector de germânio de alta resolução capaz de rastrear interações individuais de raios gama. Os cientistas também usaram o TRIPLEX, um instrumento projetado para medir tempos de vida extremamente curtos, que duram apenas trilionésimos de segundo.

Os pesquisadores compararam as medições com simulações do GEANT4 Monte Carlo. Isto permitiu-lhes determinar o tempo de vida dos primeiros estados nucleares excitados e estimar o quanto os núcleos foram distorcidos de uma forma esférica.

Diferença dramática entre Mo-84 e Mo-86

Os resultados mostraram um contraste impressionante entre os dois isótopos. Embora o Mo-84 e o Mo-86 difiram apenas em dois nêutrons, seu comportamento é muito diferente.

Mo-84 exibe uma quantidade incomum de movimento coletivo. Isto significa que muitos prótons e nêutrons se movem juntos através de uma grande lacuna na camada. Os físicos nucleares descrevem esse fenômeno como uma “excitação de buraco de partícula”. Neste processo, alguns núcleons saltam para orbitais de energia mais elevada, tornando-se partículas, enquanto deixam espaços vazios, ou buracos, em orbitais de energia mais baixa.

Quando muitos núcleons participam dessas transições coordenadas, o núcleo fica fortemente deformado.

Excitações de buracos de partículas e deformação nuclear

Cálculos teóricos detalhados ajudaram a explicar por que os dois isótopos se comportam de maneira tão diferente. No Mo-84, prótons e nêutrons sofrem excitações simultâneas muito grandes de buracos de partículas. Na verdade, o núcleo experimenta efetivamente um rearranjo de 8 partículas e 8 buracos. Esta extensa reorganização produz uma forma nuclear altamente deformada.

O efeito surge da interação entre a simetria do próton-nêutron e um estreitamento da lacuna da camada em N = Z = 40. Esta combinação torna mais fácil para muitos núcleons saltarem através da lacuna ao mesmo tempo.

Os pesquisadores também descobriram que esses resultados não podem ser reproduzidos sem levar em conta três forças do núcleo. Nessas interações, três núcleons influenciam-se simultaneamente. Modelos que incluem apenas as interações tradicionais de dois núcleons não conseguem produzir a estrutura observada.

Um novo tipo de ilha de inversão

O Mo-86 se comporta de maneira bem diferente. Ele exibe excitações 4p-4h mais modestas e, portanto, permanece muito menos deformado.

Em conjunto, as descobertas mostram que o Mo-84 fica dentro de uma recém-identificada “Ilha de Inversão”, enquanto o Mo-86 fica fora desta região.

Esta recém-descoberta “Ilha de Inversão Simétrica Isospin” no N = Z o núcleo Mo-84 representa o primeiro exemplo conhecido de uma Ilha de Inversão em um sistema simétrico de próton-nêutron. A descoberta desafia suposições de longa data sobre onde estas regiões nucleares incomuns podem se formar e oferece uma nova visão sobre as forças fundamentais que mantêm os núcleos atômicos unidos.