Durante muitos anos, os físicos nucleares acreditaram que “ilhas de inversão” eram encontradas principalmente em isótopos cheios de nêutrons extras. Essas regiões incomuns do mapa atômico são locais onde a estrutura normal do núcleo atômico, seguindo as regras esperadas, para repentinamente. Neste caso, os números mágicos bem conhecidos desaparecem, as formas nucleares circulares são quebradas e o núcleo pode mudar para uma forma altamente distorcida.
Até agora, todos os exemplos conhecidos ocorreram em núcleos muito instáveis e ricos em nêutrons. Exemplos são berílio-12 (N = 8), magnésio-32 (N = 20) e cromo-64 (N = 40). Todos estes estão longe dos elementos estáveis normalmente encontrados na natureza.
Cientistas encontraram 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 Ulta em um lugar que ninguém esperava.
Em vez de aparecer em núcleos pesados de neutrões, a região recentemente descoberta existe numa das partes mais simétricas da carta atómica. 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 estão deitados de lado N = Z linha, que é particularmente importante na física nuclear. No entanto, esses isótopos são extremamente difíceis de estudar porque são difíceis de produzir em experimentos de laboratório.
Usando feixes de isótopos raros e detectores de raios gama altamente sensíveis na Michigan State University, a equipe mediu a vida útil de estados nucleares excitados com precisão na escala de picossegundos.
Para criar o feixe necessário, os cientistas aceleraram os íons Mo-92 e os dispararam contra um alvo de berílio, criando núcleos de Mo-86 em movimento rápido. Um separador A1900 foi usado para separar 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 ficam excitados, enquanto outros perdem dois nêutrons e se convertem em Mo-84.
À medida que estes núcleos regressavam ao seu estado de energia mais baixo, emitiam raios gama que forneciam pistas sobre a sua estrutura interna.
Medições de raios gama revelam estrutura atômica
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 do primeiro estado nuclear excitado e estimar o quanto o núcleo se distorceu a partir de uma forma esférica.
Diferença dramática entre Mo-84 e Mo-86
Os resultados mostraram um contraste interessante entre os dois isótopos. Embora o Mo-84 e o Mo-86 difiram apenas em dois nêutrons, seu comportamento é muito diferente.
O Mo-84 exibe uma quantidade incomum de movimento articular. Isto significa que muitos prótons e nêutrons se movem juntos através de uma grande lacuna na camada. Os físicos nucleares descrevem este fenômeno como “excitação de buraco de partícula”. Neste processo, alguns núcleons saltam para orbitais de energia mais elevada, tornando-se partículas, enquanto deixam lacunas, ou buracos, em orbitais de energia mais baixa.
Quando muitos núcleons participam nesta transição concertada, o núcleo fica fortemente distorcido.
Excitação 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. Este extenso rearranjo produz uma forma nuclear altamente distorcida.
O efeito surge de interações entre a simetria do próton-nêutron e o estreitamento do shell gap N = Z = 40. Essa combinação torna mais fácil para muitos núcleons cruzarem a lacuna ao mesmo tempo.
Os pesquisadores também descobriram que esses resultados não poderiam ser reproduzidos sem levar em conta a energia dos três núcleons. Nesta interação, três núcleons afetam um ao outro simultaneamente. Modelos que incluem apenas interações tradicionais de dois núcleons não conseguem reproduzir a estrutura observada.
Um novo tipo de ilha de inversão
O Mo-86 se comporta de maneira bem diferente. Ele exibe uma excitação 4p-4h mais modesta e, portanto, é muito menos distorcida.
Em conjunto, as descobertas mostram que o Mo-84 fica dentro de uma “ilha de inversão” recentemente identificada, enquanto o Mo-86 fica fora desta região.
Esta recém-descoberta “ilha de inversão isospin-simétrica” 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 fornece uma nova visão sobre as forças fundamentais que mantêm os núcleos atômicos unidos.
