Recenti osservazioni della struttura interna del raro isotopo rutenio-88 gettano nuova luce sulla struttura interna dei nuclei atomici, una svolta che potrebbe anche portare a ulteriori approfondimenti su come si formano alcuni elementi chimici in natura e i loro isotopi.

Guidati da Bo Cederwall, Professore di Fisica Nucleare Sperimentale al KTH Royal Institute of Technology, un team di ricerca internazionale ha identificato nuovi stati rotazionali nelle aree estremamente carenti di neutroni, deforme, nucleo atomico ⁸⁸ Ru. I risultati suggeriscono che la struttura di questo esotico sistema nucleare è fortemente influenzata dalla presenza di coppie neutrone-protone fortemente accoppiate.

"Tale struttura è fondamentalmente diversa dalle condizioni normali osservate nei nuclei atomici, dove neutroni e protoni interagiscono a coppie in sistemi separati, formando uno stato quasi superfluido, "dice Cederwall.

I risultati possono anche suggerire spiegazioni alternative su come la produzione di diversi elementi chimici, e in particolare i loro isotopi più poveri di neutroni, procede nelle reazioni di nucleosintesi in certi ambienti stellari come le binarie giganti rosse delle stelle di neutroni, lui dice.

La scoperta, che è stato pubblicato il 12 febbraio sulla rivista, Lettere di revisione fisica , risultati di un esperimento al Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL), Francia, utilizzando l'Advanced Gamma Tracking Array (AGATA).

I ricercatori hanno utilizzato le collisioni nucleari per creare nuclei atomici altamente instabili con un numero uguale di neutroni e protoni. La loro struttura è stata studiata utilizzando strumenti sensibili, tra cui AGATA, rilevando la radiazione che emettono sotto forma di fotoni ad alta energia, neutroni, protoni e altre particelle.

Secondo il Modello Standard della fisica delle particelle che descrive le particelle elementari e le loro interazioni, ci sono due tipi generali di particelle in natura; bosoni e fermioni, che hanno spin interi e semi interi, rispettivamente. Esempi di fermioni sono particelle fondamentali come l'elettrone e il neutrino elettronico ma anche particelle composite come il protone e il neutrone e i loro mattoni fondamentali, i quark. Esempi di bosoni sono i vettori di forza fondamentali; il fotone, i bosoni vettoriali intermedi, i gluoni e il gravitone.

Le proprietà di un sistema di particelle differiscono notevolmente a seconda che sia basato su fermioni o bosoni. Come risultato del principio di Pauli della meccanica quantistica, in un sistema di fermioni (come un nucleo atomico) solo una particella può contenere un certo stato quantistico in un certo punto nello spazio e nel tempo. Affinché più fermioni appaiano insieme, almeno una proprietà di ogni fermione, come la sua rotazione, deve essere diverso. A bassa temperatura i sistemi di molti fermioni possono esibire condensati di particelle accoppiate che si manifestano come superfluidità per particelle prive di carica (ad esempio, il superfluido 3He), e superconduttività per particelle cariche, come gli elettroni in un superconduttore al di sotto della temperatura critica. bosoni, d'altra parte, può condensare individualmente con un numero illimitato di particelle nello stesso stato, cosiddetti condensati di Bose-Einstein.

Nella maggior parte dei nuclei atomici che sono vicini alla linea di stabilità beta e nel loro stato fondamentale, o eccitato da un'energia non troppo alta sopra di esso, la struttura di base sembra essere basata su condensati correlati a coppie di particelle con lo stesso numero quantico di isospin ma con spin opposti. Ciò significa che neutroni e protoni sono accoppiati separatamente l'uno dall'altro. Queste correlazioni di coppie di isovettori danno origine a proprietà simili alla superfluidità e alla superconduttività. Nei nuclei deformati, questa struttura si rivela ad esempio come discontinuità nella frequenza di rotazione quando l'energia di eccitazione rotazionale del nucleo è aumentata.

Tali discontinuità, scoperte già nei primi anni '70 dal professore emerito del KTH Arne Johnson, sono stati etichettati come "backbending". La frequenza di backbending è una misura dell'energia necessaria per rompere una coppia di neutroni o protoni e quindi riflette anche l'energia rilasciata dalla formazione di una coppia di nucleoni nel nucleo. Ci sono previsioni teoriche di vecchia data con cui i sistemi di coppie neutrone-protone possono essere mescolati, o addirittura sostituire, le correlazioni standard di coppie di isovettori in nuclei atomici esotici con uguale numero di protoni e neutroni. La struttura nucleare risultante dalla componente isoscalare di tali correlazioni di coppia è diversa da quella che si trova nei nuclei atomici "ordinari" prossimi alla stabilità. Tra i diversi possibili osservabili sperimentali, si prevede che la frequenza di backbending nei nuclei deformati aumenti significativamente rispetto ai nuclei con un diverso numero di neutroni e protoni.

Il gruppo di ricerca KTH ha precedentemente osservato prove di forti correlazioni neutrone-protone nel nucleo nucleare sferico 92Pd, che è stato pubblicato sulla rivista Natura . L'isotopo del rutenio ⁸⁸ Ru, con 44 neutroni e 44 protoni, è deformato e mostra una struttura simile alla rotazione che è stata ora osservata fino a spin più elevati, o frequenza di rotazione, rispetto a quanto precedentemente possibile. La nuova misurazione fornisce un angolo diverso sulle correlazioni delle coppie nucleari rispetto al lavoro precedente. Confermando le previsioni teoriche di uno spostamento verso una frequenza di backbending più elevata, fornisce prove complementari per il verificarsi di forti correlazioni di coppie isoscalari nei sistemi nucleari più pesanti con un numero uguale di neutroni e protoni.