Il lavoro apre la strada a calcoli precisi della struttura di altri nuclei.

In uno studio che combina lavoro sperimentale e calcoli teorici resi possibili dai supercomputer, gli scienziati hanno determinato la geometria nucleare di due isotopi di boro. Il risultato potrebbe aiutare ad aprire la strada a calcoli precisi della struttura di altri nuclei che gli scienziati potrebbero convalidare sperimentalmente.

Ricercatori presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), in collaborazione con scienziati in Germania e Polonia, ha determinato la differenza in una quantità nota come raggio di carica nucleare tra boro-10 e boro-11. Il raggio della carica nucleare indica la dimensione di un nucleo atomico, che spesso ha bordi relativamente indistinti.

I raggi di carica nucleare sono difficili da calcolare con elevata precisione per atomi molto più grandi del boro a causa del numero assoluto di neutroni e protoni le cui proprietà e interazioni devono essere derivate dalla meccanica quantistica.

La teoria nucleare si basa sulla cromodinamica quantistica (QCD), un insieme di regole fisiche che si applicano a quark e gluoni che compongono i protoni e i neutroni all'interno del nucleo. Ma cercare di risolvere le dinamiche nucleari utilizzando solo la QCD sarebbe un compito quasi impossibile a causa della sua complessità, e i ricercatori devono fare affidamento almeno su alcune ipotesi semplificatrici.

Poiché il boro è relativamente leggero, con solo cinque protoni e una manciata di neutroni, il team è stato in grado di modellare con successo i due isotopi di boro sul supercomputer Mira e di studiarli sperimentalmente utilizzando la spettroscopia laser. Mira fa parte dell'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), una struttura per gli utenti di DOE Office of Science.

"Questo è uno dei nuclei atomici più complicati per cui è possibile arrivare sperimentalmente a queste misurazioni precise e derivarle teoricamente, " ha detto il fisico nucleare di Argonne Peter Mueller, che ha contribuito a condurre lo studio.

Guardando come le configurazioni nucleari del boro-11 ( ¹¹ B) e boro-10 ( ¹⁰ B) differiva implicava l'esecuzione di determinazioni su scale di lunghezza straordinariamente piccole:meno di un femtometro, un quadrilionesimo di metro. In una scoperta controintuitiva, i ricercatori hanno determinato che gli 11 nucleoni del boro-11 occupano in realtà un volume inferiore rispetto ai 10 nucleoni del boro-10.

Per guardare sperimentalmente gli isotopi del boro, scienziati dell'Università di Darmstadt hanno eseguito la spettroscopia laser su campioni di isotopi, che emettono fluorescenza a frequenze diverse. Mentre la maggior parte della differenza nei modelli di fluorescenza è causata dalla differenza nella massa tra gli isotopi, c'è un componente nella misurazione che riflette la dimensione del nucleo, ha spiegato il fisico di Argonne Robert Wiringa.

Per separare questi componenti, i collaboratori dell'Università di Varsavia e dell'Università Adam Mickiewicz di Poznan hanno eseguito calcoli di teoria atomica all'avanguardia che descrivono con precisione la complicata danza dei cinque elettroni attorno al nucleo nell'atomo di boro.

"Esperimenti precedenti di diffusione di elettroni non potevano davvero dire con certezza quale fosse più grande, " ha detto Wiringa. "Utilizzando questa tecnica di spettroscopia laser, siamo in grado di vedere con certezza come il neutrone in più si leghi più strettamente al boro-11".

Il buon accordo tra esperimento e teoria per le dimensioni del nucleo consente ai ricercatori di determinare altre proprietà di un isotopo, come il suo tasso di decadimento beta, con maggiore fiducia. "La capacità di eseguire calcoli e fare esperimenti va di pari passo per convalidare e rafforzare i nostri risultati, " ha detto Mueller.

La prossima fase della ricerca riguarderà probabilmente lo studio del boro-8, che è instabile e ha solo un'emivita di circa un secondo prima di decadere. Poiché ci sono meno neutroni nel nucleo, è molto meno strettamente legato rispetto ai suoi vicini stabili e si crede che abbia un raggio di carica esteso, ha detto Mueller. "C'è una previsione, ma solo l'esperimento ci dirà quanto bene modella effettivamente questo sistema vagamente legato, " Lui ha spiegato.

Un articolo basato sulla ricerca, "Raggi di carica nucleare di 10, 11B, " appare nel numero del 10 maggio di Lettere di revisione fisica .