Una collaborazione internazionale guidata da scienziati dell'Università di Hong Kong, RIKEN (Giappone), e CEA (Francia) hanno utilizzato la RI Beam Factory (RIBF) presso il RIKEN Nishina Center for Accelerator-base Science per dimostrare che 34 è un "numero magico" per i neutroni, il che significa che i nuclei atomici con 34 neutroni sono più stabili di quanto ci si aspetterebbe normalmente. Esperimenti precedenti avevano suggerito, ma non chiaramente dimostrato, che questo sarebbe il caso.

Gli esperimenti, pubblicato in Lettere di revisione fisica , sono stati eseguiti utilizzando calcio 54, un nucleo instabile che ha 20 protoni e 34 neutroni. Attraverso gli esperimenti, i ricercatori hanno dimostrato che mostra una forte chiusura a conchiglia, una situazione con neutroni che è simile al modo in cui gli atomi con gusci elettronici chiusi, come elio e neon, sono chimicamente inattivi.

Mentre una volta si credeva che i protoni e i neutroni fossero ammassati insieme come una zuppa all'interno del nucleo, è ormai noto che sono organizzati in conchiglie. Con il riempimento completo di un guscio nucleare, spesso indicato come "numero magico, " i nuclei mostrano attributi distintivi che possono essere sondati in laboratorio. Ad esempio, una grande energia per il primo stato eccitato di un nucleo è indicativa di un numero magico.

Recenti studi su nuclei ricchi di neutroni hanno suggerito che nuovi numeri devono essere aggiunti al noto, numeri canonici di 2, 8, 20, 28, 50, 82, e 126.

Test iniziali sul calcio 54, svolto anche al RIBF nel 2013, aveva già indicato che il numero doveva esistere. Durante il nuovo esperimento, il focus della ricerca si è spostato verso la determinazione della sua effettiva forza. Nell'esperimento in corso, il team intorno a Sidong Chen ha misurato direttamente il numero di neutroni che occupano i singoli gusci di calcio 54 eliminando faticosamente i neutroni uno alla volta.

Per fare questo, il gruppo ha utilizzato un raggio contenente il calcio che viaggia a circa il 60% della velocità della luce, selezionato e identificato dal separatore isotopico BigRIPS, e fece urtare il raggio contro un bersaglio di idrogeno liquido denso, o protoni, raffreddato a una temperatura tremendamente bassa di 20 K. La struttura dettagliata del guscio dell'isotopo è stata dedotta dalle sezioni trasversali dei neutroni eliminati mentre entravano in collisione con i protoni, permettendo ai ricercatori di associarli a conchiglie diverse.

Secondo Pieter Doornenbal del Centro Nishina, "Per la prima volta, siamo stati in grado di dimostrare quantitativamente che tutti i gusci di neutroni sono completamente pieni di 54Ca, e che 34 neutroni è davvero un buon numero magico." La scoperta dimostra che 34 fa parte dell'insieme dei numeri magici, sebbene il suo aspetto sia limitato a una regione molto limitata della carta nucleare. Sidong Chen continua:"Grandi sforzi in futuro si concentreranno sulla delineazione di questa regione. Inoltre, per sistemi più ricchi di neutroni, come 60Ca, sono previsti ulteriori numeri magici. Questi sistemi "esotici" sono attualmente fuori dalla portata del RIBF per studi dettagliati, ma crediamo che grazie alle sue crescenti capacità, diventeranno accessibili nel prossimo futuro."