Într-un anumit grad de aproximare, nucleele atomice arată ca sferele care, în majoritatea cazurilor, sunt distorsionate într-o măsură mai mare sau mai mică. Când nucleul este excitat, forma lui se poate schimba, dar numai pentru un moment extrem de scurt, după care revine la starea sa inițială. O „a doua față” relativ permanentă a nucleelor ​​atomice a fost observată până acum doar în cele mai masive elemente. Într-un experiment spectaculos, fizicieni din Polonia, Italia, Japonia, Belgia și România au reușit pentru prima dată să-l înregistreze într-un nucleu recunoscut ca fiind ușor.

nucleu

Nucleii atomici sunt capabili să-și schimbe forma în funcție de cantitatea de energie pe care o dețin sau de viteza cu care se învârt. Modificările legate doar de adăugarea de energie (și, prin urmare, nu ținând cont de rotire) sunt relativ stabile doar în nucleele celor mai masive elemente. Acum, se dovedește că nucleele elementelor mult mai ușoare, cum ar fi nichelul, pot, de asemenea, să persiste puțin mai mult în noua lor formă. Descoperirea a fost făcută de o echipă de oameni de știință din Universitatea italiană degli Studi di Milano (UniMi), Institutul de Fizică Nucleară al Academiei Poloneze de Științe (IFJ PAN) din Cracovia, Institutul Național Român de Fizică și Inginerie Nucleară ( IFIN-HH), Universitatea japoneză din Tokyo și Universitatea belgiană din Bruxelles. Calculele necesare pentru pregătirea experimentului efectuat au fost atât de complexe încât a fost necesară o infrastructură de calculatoare de aproximativ un milion de procesoare pentru a le realiza. Efortul nu s-a risipit: publicația care descrie realizarea a fost distinsă de editorii revistei Physical Review Letters.

Construit din protoni și neutroni, nucleele atomice sunt în general considerate a fi structuri sferice. Cu toate acestea, în realitate, majoritatea nucleelor ​​atomice sunt structuri care sunt deformate într-o măsură mai mare sau mai mică: aplatizate sau alungite de-a lungul uneia, a două sau uneori chiar a celor trei axe. Mai mult, la fel cum o minge se aplatizează mai mult sau mai puțin în funcție de forța exercitată asupra ei de o mână, așa că nucleele atomice își pot schimba deformarea în funcție de cantitatea de energie pe care o dețin, chiar și atunci când nu se rotește.

„Când un nucleu atomic este alimentat cu cantitatea potrivită de energie, acesta poate trece într-o stare cu o deformare a formei diferită de cea tipică pentru starea de bază. Această nouă deformare - ilustrativ vorbind: noua sa față - este, totuși, foarte instabilă .Așa cum o minge revine la forma inițială după ce mâna care a distorsionat-o este îndepărtată, astfel încât nucleul revine la forma sa originală, dar face atât de mult, mult mai repede, în miliardimi de miliardime de secundă sau un So, în loc să vorbim despre a doua față a nucleului atomic, probabil că este mai bine să vorbim doar despre o grimasă ", explică Prof. Bogdan Fornal (IFJ PAN), a cărui echipă de cercetare îl includea pe Dr. Dr. Natalia Cieplicka-Orynczak Lukasz Iskra și Dr. Mateusz Krzysiek.

În ultimele decenii, s-au adunat dovezi care să confirme că o stare relativ stabilă cu o formă deformată este prezentă în nucleele unui număr mic de elemente. Măsurătorile au arătat că nucleele unor actinide - elemente cu numere atomice de la 89 (actinium) la 103 (lawrencium) - sunt capabile să-și mențină „a doua față” chiar și de zeci de milioane de ori mai mult decât alte nuclee. Actinidele sunt elemente cu un număr total de protoni și neutroni cu mult peste 200, deci foarte masive. Până în prezent, printre nucleele care nu se rotesc ale elementelor mai ușoare nu s-a observat niciodată o stare excitată cu o formă deformată, caracterizată prin stabilitate crescută.

„Împreună cu profesorul Michel Sferrazza, care lucrează acum la Universitatea din Bruxelles, deja la începutul anilor 1990, am subliniat că două modele teoretice de excitație nucleară prezic existența unor stări relativ stabile cu forme deformate în nucleele elementelor ușoare. La scurt timp, a apărut un al treilea model care a dus și la concluzii similare. Atenția noastră a fost atrasă de nichel-66, deoarece era prezentă în predicțiile tuturor celor trei modele ", își amintește prof. Fornal.

Posibilitatea căutării experimentale a unor stări relativ stabile cu forme deformate în nucleul Ni-66 a apărut însă recent. Noua metodă experimentală, propusă de Prof. Silvia Leoni (UniMi), combinată cu modelul de coajă Monte Carlo extrem de sofisticat din punct de vedere al calculului dezvoltat de teoreticienii Universității din Tokyo, a permis proiectarea unor măsurători adecvate și precise. Experimentul a fost realizat la acceleratorul tandem de 9 MV FN Pelletron care funcționează în Institutul Național de Fizică și Inginerie Nucleară din România (IFIN-HH).

În experimentul de la București, o țintă de nichel-64 a fost trasă cu oxigen-18 nuclee. Comparativ cu oxigenul-16, care este principalul izotop (99,76%) al oxigenului atmosferic, acești nuclei conțin doi neutroni suplimentari. În timpul coliziunilor, ambii neutroni în exces pot fi transferați către nucleele de nichel, rezultând crearea nichelului-66, a cărui formă de bază este aproape o sferă ideală. Cu energiile de coliziune selectate corespunzător, o mică porțiune a nucleelor ​​Ni-66 astfel formate realizează o anumită stare cu o formă deformată care, așa cum au arătat măsurătorile, a fost ușor mai stabilă decât toate celelalte stări excitate asociate cu o deformare semnificativă. Cu alte cuvinte, nucleul se afla într-un minim local, profund de potențial.

"Extinderea duratei de viață măsurată de noi a formei deformate a nucleului Ni-66 nu este la fel de spectaculoasă ca cea a actinidelor, unde a ajuns de zeci de milioane de ori. Am înregistrat doar o creștere de cinci ori. Cu toate acestea, măsurarea a fost excepțional, deoarece a fost prima observație de acest gen în nucleele ușoare ", conchide prof. Fornal și subliniază că timpul de întârziere măsurat de revenire la starea de bază corespunde într-o măsură acceptabilă cu valorile oferite de noul model teoretic, care îmbunătățește în continuare realizarea realizării. Niciunul dintre modelele anterioare de structură nucleară nu a permis predicții atât de detaliate. Acest lucru sugerează că noua abordare teoretică ar trebui să fie utilă pentru a descrie câteva mii de nuclee care nu au fost încă descoperite.

Din partea poloneză, cercetarea a fost finanțată de Centrul Național de Științe.