Poco più di un decennio fa gli scienziati hanno spinto gli atomi di magnesio a nuovi limiti, immettendo neutroni extra nei loro nuclei verso - e possibilmente raggiungendo - il limite massimo per questo elemento.

Ora, un team internazionale guidato da scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory del Department of Energy (Berkeley Lab) ha riprodotto questo sistema esotico, noto come magnesio-40, e ha raccolto nuovi e sorprendenti indizi sulla sua struttura nucleare.

"Il magnesio-40 si trova a un incrocio dove ci sono molte domande su come sia veramente, " ha detto Heather Crawford, uno scienziato dello staff della divisione di scienze nucleari del Berkeley Lab e autore principale di questo studio, pubblicato online il 7 febbraio nel Lettere di revisione fisica rivista. "È una specie estremamente esotica."

Mentre il numero di protoni (che hanno una carica elettrica positiva) nel suo nucleo atomico definisce il numero atomico di un elemento, dove si trova sulla tavola periodica, il numero di neutroni (che non hanno carica elettrica) può differire. Il tipo più comune e stabile di atomo di magnesio presente in natura ha 12 protoni, 12 neutroni, e 12 elettroni (che hanno una carica negativa).

Gli atomi dello stesso elemento con diversi conteggi di neutroni sono noti come isotopi. L'isotopo del magnesio-40 (Mg-40) che i ricercatori hanno studiato ha 28 neutroni, che può essere il massimo per gli atomi di magnesio. Per un dato elemento, il numero massimo di neutroni in un nucleo è indicato come "linea di gocciolamento dei neutroni:se provi ad aggiungere un altro neutrone quando è già al completo, il neutrone in più "goccerà" immediatamente fuori dal nucleo.

"È estremamente ricco di neutroni, " Crawford ha detto. "Non è noto se Mg-40 è sulla linea di gocciolamento, ma è sicuramente molto vicino. Questo è uno degli isotopi più pesanti che puoi attualmente raggiungere sperimentalmente vicino alla linea di gocciolamento".

La forma e la struttura dei nuclei vicino alla linea di gocciolamento è particolarmente interessante per i fisici nucleari perché può insegnare loro cose fondamentali su come si comportano i nuclei agli estremi dell'esistenza.

"La domanda interessante nelle nostre menti da sempre, quando ti avvicini così tanto alla linea di gocciolamento, è:'Il modo in cui i neutroni e i protoni si organizzano cambia?'" ha detto Paul Fallon, uno scienziato senior della divisione di scienze nucleari del Berkeley Lab e coautore dello studio. "Uno dei principali obiettivi del campo della fisica nucleare è comprendere la struttura dal nucleo di un elemento fino alla linea di gocciolamento".

Una tale comprensione fondamentale può informare le teorie sui processi esplosivi come la creazione di elementi pesanti nelle fusioni e nelle esplosioni stellari, Egli ha detto.

Lo studio si basa su esperimenti presso la Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF) del Giappone. che si trova presso il RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science a Wako, Giappone. I ricercatori hanno combinato la potenza di tre ciclotroni, un tipo di acceleratore di particelle sviluppato per la prima volta dal fondatore del Berkeley Lab Ernest Lawrence nel 1931, per produrre fasci di particelle ad altissima energia che viaggiano a circa il 60 percento della velocità della luce.

Il team di ricerca ha utilizzato un potente raggio di calcio-48, che è un isotopo stabile del calcio con un numero magico di protoni (20) e neutroni (28), per colpire un disco rotante di carbonio spesso diversi millimetri.

Alcuni dei nuclei di calcio-48 si sono schiantati contro i nuclei di carbonio, in alcuni casi producendo un isotopo di alluminio noto come alluminio-41. L'esperimento di fisica nucleare ha separato questi atomi di alluminio-41, che sono stati poi incanalati per colpire un bersaglio di plastica spessa centimetri (CH2). L'impatto con questo bersaglio secondario ha allontanato un protone da alcuni dei nuclei di alluminio-41, creando nuclei di Mg-40.

Questo secondo obiettivo era circondato da un rivelatore di raggi gamma, ei ricercatori sono stati in grado di studiare gli stati eccitati di Mg-40 sulla base delle misurazioni dei raggi gamma emessi nelle interazioni raggio-bersaglio.

Oltre al Mg-40, le misurazioni hanno anche catturato le energie degli stati eccitati in altri isotopi di magnesio, compresi Mg-36 e Mg-38.

"La maggior parte dei modelli ha affermato che Mg-40 dovrebbe essere molto simile agli isotopi più leggeri, " Crawford ha detto. "Ma non lo ha fatto. Quando vediamo qualcosa che sembra molto diverso, allora la sfida è che nuove teorie catturino tutto questo".

Poiché le teorie ora non sono d'accordo con ciò che è stato visto negli esperimenti, sono necessari nuovi calcoli per spiegare cosa sta cambiando nella struttura dei nuclei di Mg-40 rispetto a Mg-38 e altri isotopi.

Fallon ha detto che molti calcoli suggeriscono che i nuclei di Mg-40 sono molto deformati, e possibilmente a forma di pallone da calcio, quindi i due neutroni aggiunti in Mg-40 potrebbero ronzare attorno al nucleo per formare un cosiddetto nucleo di alone piuttosto che essere incorporati nella forma esibita dagli isotopi di magnesio vicini.

"Ipotizziamo su parte della fisica, ma questo deve essere confermato da calcoli più dettagliati, " Egli ha detto.

Crawford ha affermato che ulteriori misurazioni e teorie funzionano su Mg-40, e che gli isotopi vicini potrebbero aiutare a identificare positivamente la forma del nucleo di Mg-40, e per spiegare cosa sta causando il cambiamento nella struttura nucleare.

I ricercatori hanno notato che la struttura di fisica nucleare per fasci di isotopi rari, una nuova struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE in costruzione presso la Michigan State University, combinato con il Gamma-Ray Energy Tracking Array (GRETA) in costruzione presso il Berkeley Lab, consentirà ulteriori studi di altri elementi vicino alla linea di gocciolamento nucleare.