Durante muitos anos, os físicos nucleares acreditaram que as “ilhas de inversão” eram encontradas principalmente em isótopos cheios de nêutrons extras. Essas regiões incomuns nos diagramas nucleares são onde a estrutura normal do núcleo para repentinamente de seguir as regras esperadas. Nestes casos, os números mágicos bem conhecidos desaparecem, a forma redonda do núcleo se desfaz e o núcleo pode se transformar em formas altamente distorcidas.
Até agora, todos os exemplos conhecidos ocorrem em núcleos ricos em nêutrons muito instáveis. Exemplos incluem berílio 12 (azoto = 8), Magnésio-32 (azoto = 20) e Cromo 64 (azoto = 40). Todos estes estão longe dos elementos estáveis comumente encontrados na natureza.
Cientistas descobrem ilha nuclear surpreendente
Um novo estudo realizado por uma equipe internacional de pesquisadores encontra algo inesperado. Cientistas do Center for Strange Core Research, do Instituto de Ciências Básicas (IBS), da Universidade de Pádua, da Universidade Estadual de Michigan, da Universidade de Estrasburgo e de várias outras instituições descobriram uma ilha de inversão em um lugar que ninguém esperava.
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, existem números iguais de prótons e nêutrons.
Estudando isótopos raros de molibdênio
Os pesquisadores se concentraram em dois isótopos de molibdênio: molibdênio-84 (Z = azoto = 42) e molibdênio-86 (Z = 42, azoto = 44). Ambos estão localizados azoto = Z linhas, o que é especialmente importante na física nuclear. No entanto, esses isótopos são extremamente difíceis de estudar porque produzi-los em experimentos de laboratório é um desafio.
A equipe de pesquisa usou o raro feixe de isótopos da MSU e detectores de raios gama de alta sensibilidade para medir o tempo de vida do estado nuclear excitado com precisão de picossegundos.
Para criar o feixe desejado, os cientistas aceleram os íons Mo-92 e os disparam contra um alvo de berílio, criando núcleos de Mo-86 em movimento rápido. O separador A1900 é usado para separar os fragmentos necessários das muitas partículas produzidas durante a colisão. O feixe do Mo-86 foi então apontado para um segundo alvo. Durante esta etapa, alguns núcleos são excitados, enquanto outros perdem dois nêutrons e se transformam em Mo-84.
Quando estes núcleos regressam ao seu estado de energia mais baixo, emitem raios gama, que fornecem pistas sobre a sua estrutura interna.
Medições de raios gama revelam estrutura nuclear
Os raios gama emitidos são detectados pelo GRETINA, um conjunto de detectores de germânio de alta resolução capaz de rastrear interações únicas de raios gama. Os cientistas também usaram o TRIPLEX, um instrumento projetado para medir tempos de vida extremamente curtos, que duram apenas um trilionésimo de segundo.
Os pesquisadores compararam as medições com simulações do GEANT4 Monte Carlo. Isto permitiu-lhes determinar o tempo de vida do primeiro estado nuclear excitado e estimar até que ponto o núcleo se distorceu de uma forma esférica.
A grande diferença entre Mo-84 e Mo-86
Os resultados mostraram um contraste significativo entre os dois isótopos. Embora o Mo-84 e o Mo-86 difiram apenas em dois nêutrons, eles se comportam de maneira muito diferente.
Mo-84 exibe uma quantidade incomum de movimento coletivo. Isso significa que muitos prótons e nêutrons passam juntos pela lacuna da camada principal. Os físicos nucleares descrevem esse fenômeno como “excitação de buracos de partículas”. No processo, alguns núcleos saltam para órbitas de energia mais elevada e tornam-se partículas, deixando espaços vazios, ou buracos, em órbitas de energia mais baixa.
Quando muitos núcleons participam dessas transições coordenadas, os núcleos ficam fortemente deformados.
Excitação de buracos de partículas e deformação nuclear
Cálculos teóricos detalhados ajudam a explicar por que os dois isótopos se comportam de maneira tão diferente. No Mo-84, prótons e nêutrons experimentam simultaneamente excitações de buracos de partículas muito grandes. Na verdade, o núcleo efetivamente sofre um rearranjo de 8 partículas e 8 buracos. Esta extensa reorganização produz uma forma nuclear altamente deformada.
Este efeito resulta da interação entre a simetria próton-nêutron e o estreitamento do intervalo da camada azoto = Z =40. Esta combinação torna mais fácil para muitos núcleos cruzarem a lacuna simultaneamente.
Os investigadores também descobriram que era impossível reproduzir estes resultados sem ter em conta as três forças nucleares. Nessas interações, três núcleos influenciam-se simultaneamente. Um modelo envolvendo apenas a interação tradicional de dois núcleons não pode produzir a estrutura observada.
Um novo tipo de ilha de inversão
O Mo-86 se comporta de maneira completamente diferente. Exibe uma excitação 4p-4h mais suave e, portanto, um grau de deformação muito menor.
Tomados em conjunto, os resultados sugerem que o Mo-84 está dentro da recém-descoberta “ilha de inversão”, enquanto o Mo-86 está fora desta região.
Esta recém-descoberta “ilha de inversão de simetria isospin” azoto = Z O núcleo Mo-84 representa o primeiro exemplo conhecido de ilha de inversão em um sistema simétrico próton-nêutron. A descoberta desafia suposições de longa data sobre onde estas regiões nucleares incomuns se formam e fornece novos insights sobre as forças fundamentais que mantêm os núcleos atômicos unidos.
