Timothy Gray dell’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha condotto uno studio di fisica quantistica che potrebbe aver rivelato un cambiamento inaspettato nella forma di un nucleo atomico. La scoperta a sorpresa potrebbe influenzare la nostra comprensione di ciò che tiene insieme i nuclei, di come interagiscono protoni e neutroni e di come si formano gli elementi.
Un fascio di nuclei eccitati di sodio-32 si impianta nell’iniziatore della stazione di decadimento FRIB, che rileva le firme di decadimento degli isotopi. Credito immagine: Gary Hollenhead, Toby King e Adam Malin/ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti
“Abbiamo utilizzato fasci radioattivi di nuclei eccitati di sodio-32 per testare la nostra comprensione delle forme nucleari lontane dalla stabilità e abbiamo trovato un risultato inaspettato che solleva interrogativi su come si evolvono le forme nucleari”, ha affermato Gray, un fisico nucleare. I risultati sono pubblicato in Lettere di revisione fisica.
Le forme e le energie dei nuclei atomici possono cambiare nel tempo tra diverse configurazioni. Tipicamente, i nuclei vivono come entità quantistiche che hanno forme sferiche o deformate. I primi sembrano palloni da basket, i secondi assomigliano a palloni da football americano.
Il modo in cui le forme quantistiche e i livelli energetici si relazionano è una delle principali questioni aperte per la comunità scientifica. I modelli della struttura nucleare hanno difficoltà a essere estrapolati in regioni con pochi dati sperimentali.
Per alcuni nuclei radioattivi esotici, le forme previste dai modelli quantistici tradizionali sono l’opposto di quelle osservate. I nuclei radioattivi che ci si aspettava fossero sferici nel loro stato fondamentale, o nelle configurazioni a energia più bassa, si sono rivelati deformati.
Cosa può ribaltare uno stato quantistico?
In linea di principio, l’energia di uno stato deformato quantistico eccitato può scendere al di sotto di quella di uno stato fondamentale sferico, rendendo la forma sferica quella ad alta energia.
Inaspettatamente, questa inversione del ruolo quantistico sembra verificarsi per alcuni nuclei esotici quando il rapporto naturale tra neutroni e protoni diventa sbilanciato. Tuttavia, gli stati sferici eccitati post-inversione non sono mai stati trovati. È come se una volta deformato lo stato fondamentale, lo fossero anche tutti gli stati eccitati.
Esistono molti esempi di nuclei con stati fondamentali sferici e stati eccitati deformati. Allo stesso modo, molti nuclei hanno stati fondamentali quantistici deformati e successivi stati eccitati anch’essi deformati, a volte con quantità o tipi di deformazione diversi. Tuttavia, i nuclei con stati fondamentali deformati e stati eccitati sferici sono molto più sfuggenti.
Utilizzando i dati raccolti nel 2022 dal primo esperimento al Impianto per fasci di isotopi rari, o FRIB, una struttura per utenti del DOE Office of Science presso la Michigan State University, il team di Gray ha scoperto uno stato eccitato di lunga durata del sodio-32 radioattivo. Lo stato eccitato appena osservato ha una durata insolitamente lunga di 24 microsecondi, circa un milione di volte più lunga di un tipico stato eccitato nucleare.
Gli stati quantici eccitati di lunga vita sono chiamati isomeri. Una vita lunga indica che sta accadendo qualcosa di imprevisto. Ad esempio, se lo stato eccitato è sferico, la difficoltà nel ritornare a uno stato fondamentale quantistico deformato potrebbe spiegare la sua lunga vita.
Lo studio ha coinvolto 66 partecipanti provenienti da 20 università e laboratori nazionali. I ricercatori co-principali provenivano dal Lawrence Berkeley National Laboratory, dalla Florida State University, dalla Mississippi State University, dall’Università del Tennessee, Knoxville e ORNL.
IL Esperimento del 2022 che ha generato i dati utilizzato per il risultato 2023 ha impiegato il Iniziatore della stazione di decadimento FRIBo FDSi, un sistema multirivelatore modulare estremamente sensibile alle rare tracce di decadimento isotopico.
“La versatile combinazione di rilevatori di FDSi mostra che lo stato eccitato di lunga durata del sodio-32 viene fornito all’interno del fascio FRIB e che poi decade internamente emettendo raggi gamma allo stato fondamentale dello stesso nucleo”, ha affermato Mitch Allmond dell’ORNL, un ricercatore coautore dell’articolo che gestisce il progetto FDSi.
Per fermare il fascio radioattivo altamente energetico di FRIB, che viaggia a circa il 50% della velocità della luce, al centro di FDSi è stato posizionato un rilevatore di impianto costruito da UT Knoxville.
A nord della linea del fascio c’era un array di rilevatori di raggi gamma chiamato DEGAi, comprendente 11 rilevatori in stile trifoglio di germanio e 15 rilevatori di bromuro di lantanio a temporizzazione rapida. A sud della linea del fascio c’erano 88 moduli di un rivelatore chiamato NEXTi per misurare il tempo di volo dei neutroni emessi nel decadimento radioattivo.
Un fascio di nuclei di sodio-32 eccitati si fermò nel rivelatore e decadde allo stato fondamentale deformato emettendo raggi gamma. L’analisi degli spettri di raggi gamma per discernere la differenza temporale tra l’impianto del raggio e l’emissione di raggi gamma ha rivelato per quanto tempo è esistito lo stato eccitato.
L’esistenza di 24 microsecondi del nuovo isomero è stata la vita più lunga osservata tra gli isomeri con da 20 a 28 neutroni che decadono per emissione di raggi gamma. Si è osservato che circa l’1,8% dei nuclei del sodio-32 erano il nuovo isomero.
“Possiamo elaborare due modelli diversi che spieghino ugualmente bene le energie e la durata che abbiamo osservato nell’esperimento”, ha detto Gray.
È necessario un esperimento con una potenza del raggio maggiore per determinare se lo stato eccitato nel sodio-32 è sferico. Se lo fosse, allora lo stato avrebbe sei unità quantizzate di momento angolare, che è una qualità di un nucleo correlata alla rotazione dell’intero corpo o al movimento orbitale dei suoi singoli protoni e/o neutroni attorno al centro di massa.
Tuttavia, se lo stato eccitato del sodio-32 fosse deformato, lo stato avrebbe unità quantizzate pari a zero di momento angolare.
Un aggiornamento pianificato a FRIB fornirà più potenza, aumentando il numero di nuclei nel raggio. I dati provenienti dal raggio più intenso consentiranno un esperimento che distingue tra le due possibilità.
“Caratterizzeremo le correlazioni tra gli angoli di due raggi gamma emessi a cascata”, ha detto Gray. “Le due possibilità hanno correlazioni angolari molto diverse tra i raggi gamma. Se disponiamo di statistiche sufficienti, potremmo districare lo schema che rivela una risposta chiara”.
Il titolo dell’articolo è “Microsecond Isomer at the N=20 Island of Shape Inversion Observed at FRIB”.
L’Ufficio scientifico del DOE ha supportato il lavoro.
L’UT-Battelle gestisce l’ORNL per l’Office of Science del DOE, il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti. L’Office of Science sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per maggiori informazioni per favore visita Energy.gov/science.
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