Scienziati del RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Research e collaboratori hanno utilizzato l'acceleratore di ioni pesanti del centro, la fabbrica di travi RI, per dimostrare che nichel-78, un isotopo "doppiamente magico" ricco di neutroni del nichel con 28 protoni e 50 neutroni, mantiene ancora una forma sferica che lo rende relativamente stabile nonostante il grande squilibrio nel numero di protoni e neutroni. Hanno anche scoperto una sorpresa:le osservazioni dell'esperimento suggeriscono che il nichel-78 potrebbe essere il nucleo più leggero con 50 neutroni ad avere una natura magica. Gli isotoni più leggeri, ovvero nuclei con lo stesso numero di neutroni ma diverso numero di protoni, verrebbero inevitabilmente deformati, pur avendo il numero magico di neutroni.

Afferrare la validità dei numeri magici in nuclei estremamente ricchi di neutroni è fondamentale per capire perché il nostro universo ha il mix di nuclei che vediamo oggi. Gli elementi più pesanti del ferro non sono sintetizzati nella normale combustione delle stelle, ma sono principalmente creati attraverso due processi noti come processo s e processo r, che coinvolgono nuclei che catturano neutroni extra. Il processo r, in cui i neutroni vengono rapidamente assorbiti, è particolarmente importante in quanto è responsabile della creazione di alcuni nuclei ricchi di neutroni. Durante il processo, i nuclei accumulano neutroni fino a raggiungere uno stato in cui non possono più accettarli - questo stato è noto come punto di attesa - e quindi subiscono un processo noto come decadimento beta, in cui perdono un neutrone ma guadagnano un protone, permettendo loro di iniziare ad accettare nuovi neutroni. Il processo r, che rappresenta circa la metà della produzione di nuclei più pesanti del ferro, può avvenire solo in ambienti straordinari ricchi di neutroni come esplosioni di supernova e fusioni di stelle di neutroni come quella osservata nel 2017.

La posizione precisa di questi "punti di attesa" non è ben compresa, però. A complicare il processo è che i numeri magici di protoni o neutroni, equivalenti all'idea di gusci elettronici chiusi in chimica, rendono i nuclei più resistenti alla cattura di ulteriori neutroni. Un numero magico ben noto è 50 neutroni, ma non è chiaro se questo numero sia conservato per nuclei estremamente ricchi di neutroni.

Per avere una risposta, il gruppo decise di sperimentare il nichel-78, un isotopo doppiamente magico che solo di recente è diventato accessibile alla sperimentazione grazie a potenti acceleratori come la RI Beam Factory in Giappone, quello utilizzato in questo studio. Per eseguire l'esperimento, pubblicato in Natura , i ricercatori hanno combinato le osservazioni del rivelatore MINOS gestito da CEA in Francia e il rivelatore DALI2 gestito da RIKEN, entrambi situati all'interno del complesso RIBF. Hanno generato un raggio di uranio-238 e lo hanno usato per bombardare un bersaglio di berillio, costringendo l'uranio alla fissione in isotopi come il rame-79 e lo zinco-80, entrambi con 50 neutroni.

Questi due raggi sono stati poi inviati per colpire un bersaglio a idrogeno, a volte producendo nichel-78, il fulcro della ricerca.

Utilizzando rivelatori di raggi gamma, il gruppo ha dimostrato che il nichel-78 è relativamente stabile, come previsto dai calcoli, mantenendo una forma sferica anziché deformata. Ryo Taniuchi dell'Università di Tokyo e del RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science afferma:"Siamo stati felici di poter dimostrare sperimentalmente che il nichel-78 mantiene la forma sferica prevista dai calcoli. Siamo rimasti sorpresi, però, scoprire che il nucleo ha anche una forma concorrente, che non è sferico, e che qualsiasi isotono più leggero di quello che abbiamo usato sarebbe soggetto a questa deformazione e non manterrebbe la sua natura magica."

Pieter Doornenbal del Centro Nishina afferma:"Si tratta di una scoperta importante, poiché ci fornisce nuove intuizioni su come i numeri magici appaiono e scompaiono attraverso il paesaggio nucleare e influenzano il processo di nucleosintesi che ha portato all'abbondanza di isotopi che vediamo oggi nell'universo. Intendiamo fare ulteriori esperimenti con isotoni ancora più leggeri con 50 neutroni per dimostrare sperimentalmente questa scoperta".