Una combinazione senza precedenti di fisica nucleare sperimentale e tecniche di modellazione teorica e computazionale è stata riunita per rivelare l'intera portata dello sfalsamento di forma dispari degli isotopi di mercurio esotici, e spiega come avviene. Il risultato, da un team internazionale presso la struttura di fisica nucleare ISOLDE al CERN1, pubblicato oggi in Fisica della natura , dimostra e spiega un fenomeno unico degli isotopi di mercurio in cui la forma dei nuclei atomici si sposta drammaticamente tra un pallone da calcio e da rugby.

Gli isotopi sono forme di un elemento che contengono lo stesso numero di protoni nei loro nuclei ma un diverso numero di neutroni. Le proprietà dei diversi isotopi possono essere sfruttate in vari modi, tra cui la datazione archeologica e storica (Carbonio 14) e la diagnostica medica. Gli isotopi stabili hanno un rapporto ottimale tra protoni e neutroni. Però, quando il numero di neutroni diminuisce o aumenta, sono necessarie modifiche strutturali al nucleo e l'isotopo diventa tipicamente instabile. Ciò significa che si trasformerà spontaneamente verso un isotopo stabile di un altro elemento attraverso il decadimento radioattivo. Gli isotopi con rapporti estremi tra neutroni e protoni sono tipicamente di breve durata, rendendoli difficili da produrre e studiare in laboratorio. ISOLDE è l'unico posto al mondo in grado di studiare una gamma così ampia di isotopi esotici.

Uno dei primi esperimenti nella struttura ISOLDE ha osservato per la prima volta una drammatica forma nucleare sconcertante nella catena degli isotopi di mercurio. Quel risultato di oltre 40 anni ha mostrato che sebbene la maggior parte degli isotopi con numeri di neutroni tra 96 ​​e 136 abbiano nuclei sferici, quelli con 101, 103 e 105 neutroni hanno nuclei fortemente allungati, la forma dei palloni da rugby. Quella scoperta è rimasta uno dei risultati di punta di ISOLDE, ma era così drammatico che era difficile crederlo.

In questo nuovo risultato, il team sperimentale ha utilizzato la spettroscopia a ionizzazione laser, spettrometria di massa e tecniche di spettroscopia nucleare per esaminare più da vicino come, perché e quando avvengono queste transizioni di fase quantistiche. Non solo il team ha riprodotto i risultati dello storico esperimento (osservando isotopi fino a Mercurio 181), producendo e studiando altri quattro isotopi esotici (177-180), ha anche scoperto il punto in cui cessa lo sbalzo di forma e gli isotopi di mercurio ritornano al normale comportamento degli isotopi. Diverse teorie avevano cercato di descrivere ciò che stava accadendo, ma nessuno è stato in grado di fornire una spiegazione completa.

"A causa dell'estrema difficoltà nel produrre nuclei così esotici, così come la sfida computazionale di modellare un sistema così complesso, le ragioni di questo fenomeno di forma sbalorditiva sono rimaste poco chiare, " spiega Bruce Marsh.  "Solo ora, con i nuovi sviluppi della sorgente di ioni laser a ionizzazione a risonanza di ISOLDE (RILIS), e unendo le forze con altri team ISOLDE, che siamo stati in grado di esaminare la struttura nucleare di questi isotopi".

Queste osservazioni sperimentali erano di per sé eccezionali, ma la collaborazione ha voluto concludere la storia spiegando teoricamente l'effetto sbalorditivo della forma. Utilizzando uno dei supercomputer più potenti del mondo, i teorici in Giappone hanno eseguito i calcoli del modello di guscio nucleare più ambiziosi fino ad oggi.

Questi calcoli hanno identificato i componenti microscopici che guidano il cambiamento di forma; nello specifico, che quattro protoni sono eccitati oltre un livello previsto dalle aspettative su come si comportano altri isotopi stabili nel panorama nucleare. Questi quattro protoni si combinano con otto neutroni e questo guida il passaggio alla forma nucleare allungata. Infatti, entrambe le forme nucleari sono possibili per ogni isotopo di mercurio, a seconda che si trovi allo stato fondamentale o eccitato, ma la maggior parte ha un nucleo a forma di calcio nel loro stato fondamentale. La sorpresa è che la natura sceglie la forma allungata del pallone da rugby come stato fondamentale per tre degli isotopi.

"L'ingegno e l'innovazione sono caratteristiche della comunità ISOLDE e la generazione e la misurazione della suite di isotopi di mercurio è un esempio particolarmente bello, " ha detto Eckhard Elsen, Direttore per la ricerca e l'informatica del CERN. "Sono ancora più colpito dal fatto che la spiegazione teorica del comportamento sconcertante utilizzando la modellazione del supercomputer sia stata fornita allo stesso tempo".