Um átomo perfeitamente equilibrado acabou de violar uma das maiores leis da física nuclear.
Por muitos anos, físicos nucleares acreditaram que as “Ilhas de Inversão” eram encontradas principalmente em isótopos ricos em nêutrons. Essas regiões incomuns do gráfico nuclear são locais onde a estrutura normal dos núcleos atômicos para de seguir as regras esperadas. Nesses casos, os números mágicos bem conhecidos desaparecem, formas nucleares arredondadas se rompem e o…
Por muitos anos, físicos nucleares acreditaram que as “Ilhas de Inversão” eram encontradas principalmente em isótopos ricos em nêutrons. Essas regiões incomuns do gráfico nuclear são locais onde a estrutura normal dos núcleos atômicos para de seguir as regras esperadas. Nesses casos, os números mágicos bem conhecidos desaparecem, formas nucleares arredondadas se rompem e o núcleo pode se transformar em uma forma altamente distorcida.
Até agora, todos os exemplos conhecidos ocorreram em núcleos muito instáveis e ricos em nêutrons. Exemplos incluem bério-12 (N = 8), magnésio-32 (N = 20) e cromo-64 (N = 40). Todos esses encontram-se longe dos elementos estáveis comumente encontrados na natureza.
Os cientistas descobrem uma ilha nuclear surpreendente
Um novo estudo de uma equipe de pesquisa internacional revelou algo inesperado. Cientistas do Centro para Estudos Nucleares Exóticos, Instituto de Ciência Básica (IBS), Universidade de Pádua, Universidade Estadual de Michigan, Universidade de Estrasburgo e várias outras instituições identificaram uma Ilha de Inversão em um lugar que ninguém antecipava.
Em vez de aparecer em núcleos pesados em nêutrons, a nova região descoberta existe em uma das partes mais simétricas do gráfico nuclear. Nesta região, o número de prótons e nêutrons é igual.
Estudando isótopos raros de molibdênio
A equipe de pesquisadores focou em dois isótopos de molibdênio: molibdênio-84 (Z = N = 42) e molibdênio-86 (Z = 42, N = 44). Ambos estão ao longo da linha N = Z, que é especialmente importante na física nuclear. No entanto, esses isótopos são extremamente difíceis de estudar porque são desafiadores de criar em experimentos laboratoriais.
Utilizando feixes de isótopos raros na Universidade Estadual de Michigan e detectores de raios gama altamente sensíveis, a equipe mediu as vidas úteis de estados nucleares excitados com precisão na escala de picosegundos.
Para gerar o feixe necessário, os cientistas aceleraram íons de Mo-92 e os dispararam contra um alvo de berílio, produzindo núcleos de Mo-86 em alta velocidade. Um separador A1900 foi usado para isolar os fragmentos desejados dentre as muitas partículas produzidas durante a colisão. O feixe de Mo-86 foi então direcionado a um segundo alvo. Durante esta etapa, alguns núcleos ficaram excitados, enquanto outros perderam dois nêutrons e se transformaram em Mo-84.
À medida que esses núcleos retornavam aos seus estados de energia mais baixos, emitiram raios gama que forneceram pistas sobre sua estrutura interna.
Medidas de raios gama revelam a estrutura nuclear
Os raios gama emitidos foram detectados com o GRETINA, uma array de detectores de germânio de alta resolução capaz de rastrear interações individuais de raios gama. Os cientistas também utilizaram o TRIPLEX, um instrumento projetado para medir vidas úteis extremamente curtas que duram apenas trilionésimos de segundo.
Os pesquisadores compararam as medições com simulações Monte Carlo do GEANT4. Isso permitiu que eles determinassem as vidas úteis dos primeiros estados nucleares excitados e estimassem o quanto os núcleos estavam distorcidos de uma forma esférica.
Diferença dramática entre Mo-84 e Mo-86
Os resultados mostraram um contraste marcante entre os dois isótopos. Embora Mo-84 e Mo-86 diferem apenas por dois nêutrons, seu comportamento é muito diferente.
O Mo-84 exibe uma quantidade incomumente grande de movimento coletivo. Isso significa que muitos prótons e nêutrons se movem juntos através de uma grande separação de camadas. Físicos nucleares descrevem esse fenômeno como uma “excitação partícula-buraco.” Nesse processo, alguns nucleons saltam para orbitais de energia mais elevados, tornando-se partículas, enquanto deixam espaços vazios, ou buracos, em orbitais de energia mais baixos.
Quando muitos nucleons participam dessas transições coordenadas, o núcleo se torna fortemente deformado.
Excitações de partículas-buracos 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 passam por excitações de partículas-buracos muito grandes e simultâneas. De fato, o núcleo efetivamente experimenta uma reorganização de 8-partículas-8-buracos. Essa extensa reorganização produz uma forma nuclear altamente deformada.
O efeito surge da interação entre simetria próton-nêutron e um estreitamento da separação de camadas em N = Z = 40. Essa combinação facilita que muitos nucleons saltem através da separação ao mesmo tempo.
Os pesquisadores também descobriram que esses resultados não podem ser reproduzidos sem considerar forças de três nucleons. N nessas interações, três nucleons influenciam uns aos outros simultaneamente. Modelos que incluem apenas interações de dois nucleons tradicionais não conseguem produzir a estrutura observada.
Um novo tipo de Ilha de Inversão
O Mo-86 se comporta de maneira bastante diferente. Ele exibe excitações mais modestas de 4p-4h e, portanto, permanece muito menos deformado.
Conjuntamente, as descobertas mostram que Mo-84 sitúa dentro de uma “Ilha de Inversão” recém-identificada, enquanto Mo-86 encontra-se fora dessa região.
Essa nova “Ilha de Inversão simétrica de isospin” no núcleo N = Z de Mo-84 representa o primeiro exemplo conhecido de uma Ilha de Inversão em um sistema simétrico próton-nêutron. A descoberta desafia suposições de longa data sobre onde essas regiões nucleares incomuns podem se formar e oferece novas percepções sobre as forças fundamentais que mantêm os núcleos atômicos unidos.
