Figura che mostra il modello sconcertante dispari-pari nelle dimensioni dei nuclei degli isotopi di rame osservati dai ricercatori. Credito:de Groote et al.
Ricercatori dell'Instituut voor Kern- en Stralingsfysica in Belgio e dell'Università di Manchester, in collaborazione con altri istituti nel mondo, hanno recentemente effettuato uno studio volto a misurare la dimensione del nucleo (cioè, raggio di carica nucleare) in isotopi di rame ricchi di neutroni. La loro carta, pubblicato in Fisica della natura , presenta osservazioni di un caratteristico e interessante modello sconcertante dispari-pari nelle dimensioni dei nuclei di questi isotopi.
"L'effetto sbalorditivo dispari-pari che abbiamo osservato, dove il nucleo con un numero dispari di neutroni è solitamente di dimensioni leggermente inferiori rispetto ai loro vicini pari a neutroni, è più o meno costante nella maggior parte delle catene isotopiche, "Ruben Pieter de Groote, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Nel rame, però, abbiamo notato un aumento dello sfalsamento dispari-pari per gli isotopi con circa 40 neutroni, che poi sembrava svanire quando si avvicinava a 50 neutroni."
Acquisire una comprensione approfondita dello sbalorditivo schema dispari-pari osservato da de Groote e dai suoi colleghi è tutt'altro che una ricerca facile, complicato ulteriormente dal fatto che questo modello è risultato essere neutrone-dipendente, che era un po' inaspettato. Per esplorare le possibili ragioni dietro l'effetto che hanno osservato, i ricercatori hanno eseguito una serie di calcoli all'avanguardia basati sulla teoria nucleare e quindi hanno confrontato i risultati di questi calcoli con i dati sperimentali raccolti.
"L'isotopo più difficile per eseguire misurazioni, 78 Cu, ha 29 protoni e 49 neutroni, che lo rende un nucleo molto complicato da studiare, sia sperimentalmente che computazionalmente, " ha detto de Groote. "Tuttavia, abbiamo ritenuto che il nostro risultato sperimentale fosse abbastanza importante da convincere due collaboratori di teoria a perseguire due metodi teorici piuttosto diversi, uno basato sui funzionali di densità e l'altro basato sul metodo del gruppo di rinormalizzazione della somiglianza nello spazio di valenza nel mezzo, che presenta una descrizione 'ab-initio' per nuclei medio pesanti."
I due approcci teorici utilizzati dai ricercatori nel loro studio si sono rivelati utili per spiegare i diversi aspetti delle misurazioni raccolte. Mentre i calcoli basati sulla teoria del funzionale della densità prevedevano proprietà di massa (ad esempio le dimensioni nucleari totali) con una precisione notevolmente elevata, il metodo radicato nella teoria dei gruppi di rinormalizzazione della somiglianza nello spazio di valenza nel medio ha fornito una descrizione dettagliata della tendenza generale per l'effetto sbalorditivo dispari-pari, in quanto ha preso in considerazione ulteriori correlazioni.
"I nostri calcoli hanno mostrato che entrambe le teorie contengono ingredienti essenziali per descrivere la struttura nucleare, ma che c'è ancora del lavoro da fare, non abbiamo ancora un unico approccio in grado di fare tutto, " ha spiegato de Groote.
Nel loro recente studio, i ricercatori si sono concentrati sugli isotopi di rame con tempi di vita molto brevi. Ad esempio, la vita di 78 Cu, uno degli isotopi esaminati nel loro lavoro, è di 300 millisecondi, il che significa che un secondo dopo che è stato prodotto l'isotopo molto probabilmente sarà già scomparso. Hanno quindi dovuto utilizzare tecniche che hanno permesso loro di produrre ed esaminare gli isotopi molto rapidamente, prima che decadessero.
"Ciò che è molto importante quando si studiano gli isotopi radioattivi è che i metodi sono veloci ed efficienti:non c'è tempo per raccogliere un grande campione di isotopi, per poi studiarli tranquillamente in seguito, " ha detto de Groote. "Le misurazioni devono essere eseguite 'on-line'; i nostri strumenti di misurazione e rilevatori devono essere accoppiati al sito di produzione e funzionare in perfetta sincronia."
De Groote e i suoi colleghi hanno utilizzato un acceleratore di particelle noto come CERN PS-Booster, che può produrre protoni con un'energia molto elevata. Questi protoni sono stati diretti alla struttura ISOLDE del CERN, dove si sono scontrati con un pezzo di uranio, inducendo una varietà di differenti reazioni nucleari.
Le reazioni nucleari risultanti da questo processo hanno portato alla produzione di isotopi in tutto lo spettro, che vanno da atomi di elio leggeri a elementi molto pesanti, come il radio. Gli isotopi di rame che i ricercatori si sono proposti di studiare erano tra questi, ma dovevano essere estratti dalla vasta gamma di isotopi e purificati.
"L'uranio è stato riscaldato fino a circa 2000 gradi Celsius dal team ISOLDE, in modo che questi isotopi di nuova produzione non si attaccassero, ma invece è scappato in una sorgente ionica:qui, sono stati trasformati in ioni carichi, " ha spiegato de Groote. "Questo è un passaggio cruciale, in quanto ci consente di utilizzare tecniche elettrostatiche e magnetiche per accelerare tutti gli isotopi, selezionare quelli di interesse, e guidarli verso diverse configurazioni di misurazione presso la struttura ISOLDE."
Per misurare la dimensione degli isotopi di rame, i ricercatori li hanno illuminati con due raggi laser separati. Sintonizzando la frequenza del primo laser nel modo giusto, sono stati in grado di eccitare un elettrone che è legato al nucleo. Il secondo raggio laser è stato quindi utilizzato per "staccare" questo elettrone eccitato.
"Misurando il numero di particelle cariche create mentre cambiavamo la frequenza del laser, potremmo determinare l'esatta energia di assorbimento degli atomi di rame, " De Groote ha detto. "Questa energia di assorbimento è direttamente correlata alle dimensioni nucleari; lo spostamento di energia è chiamato spostamento degli isotopi, un minuscolo cambiamento di colore di appena 1 parte su un milione; niente che l'occhio possa vedere, ma qualcosa a cui il nostro sistema è sensibile".
La tecnica di misurazione utilizzata da de Groote e dai suoi colleghi, nota come spettroscopia di ionizzazione a risonanza collineare, è uno strumento altamente efficiente e preciso per misurare gli spostamenti di energia negli atomi. La loro configurazione sperimentale è altamente sofisticata, e si basa su tutte le sue diverse componenti (cioè, un grande acceleratore di particelle, sistemi laser ultra stabili, strumenti di misurazione della frequenza laser ad alta precisione, trappole ioniche, pompe per vuoto ultra alto e alimentatori ad alta tensione, ecc.) per operare in sinfonia.
Nel loro studio, i ricercatori lo hanno utilizzato per identificare gli "spostamenti isotopici" in 14 diversi isotopi di rame. La misurazione di questi spostamenti alla fine ha permesso loro di determinare i cambiamenti nelle loro dimensioni, in funzione del numero di neutroni all'interno del loro nucleo.
"L'isotopo più impegnativo è stato prodotto solo a una velocità di 20 ioni al secondo, e in totale solo circa 200, 000 ioni sono stati utilizzati per eseguire la misurazione, " ha detto de Groote. "La massa totale di questo campione, se potessi raccogliere tutto prima che decada radioattivamente, sarebbe 0,00000000003 microgrammi, rispetto agli oggetti tipici con cui siamo abituati a interagire, questa è una quantità incredibilmente piccola di cose."
La tecnica impiegata da de Groote e dai suoi colleghi consente ai ricercatori di studiare isotopi che attualmente possono essere prodotti solo in piccole quantità ed è anche molto più efficiente di altri strumenti di misurazione ad alta precisione sviluppati in passato. Nel futuro, il loro metodo potrebbe avere una serie di importanti implicazioni per la ricerca sulla struttura nucleare, poiché molti isotopi interessanti sono instabili e quindi possono essere prodotti solo in piccole quantità.
"I nostri risultati mostrano che molti di questi nuclei possono ora essere studiati, " dice de Groote. "Ulteriori miglioramenti del nostro metodo spingeranno ulteriormente questo limite. In particolare, la nostra tecnica ci consente ora di avvicinarci a nuclei che si prevede saranno prodotti in super e kilonovae e che devono ancora essere studiati sulla terra in laboratorio. Allo stesso modo, gli strumenti teorici che sono stati sviluppati rappresentano importanti pietre miliari anche nella teoria nucleare."
Oltre a introdurre una nuova tecnica per misurare la dimensione dei nuclei negli isotopi con brevi durate di vita, de Groote e i suoi colleghi hanno dimostrato l'efficacia di costrutti teorici basati su funzionali di densità e il metodo del gruppo di rinormalizzazione della somiglianza nello spazio di valenza nel mezzo per studi che esplorano la struttura degli isotopi con nuclei instabili. Il loro studio fa luce sui vantaggi e gli svantaggi di questi quadri teorici, che potrebbe essere ulteriormente approfondito in studi futuri.
"Per il presente studio, abbiamo scelto il rame, poiché ha 29 protoni, " de Groote. "Questo rende questi isotopi sonde perfette per studiare il nucleo di nichel (28 protoni) sottostante. 78 Ni (28 protoni, 50 neutroni) si pensa che sia un nucleo doppiamente magico. Ci sono solo pochissimi di questi doppiamente magici, sistemi a guscio chiuso, e costituiscono le pietre miliari per la ricerca sulla struttura nucleare, come i gas nobili per la fisica atomica."
De Groote e i suoi colleghi stanno attualmente lavorando a un nuovo studio incentrato sugli isotopi di potassio ricchi di neutroni, che hanno 19 protoni e sono quindi eccellenti sonde di isotopi magici di calcio (cioè con 20 protoni). Hanno già eseguito i calcoli iniziali dei raggi di carica di questi isotopi e ora intendono studiare questi risultati in modo più approfondito.
"A lungo termine, una campagna di misura sugli isotopi di indio e stagno, vicino alla doppia magia 100 Sn e 132 isotopi Sn, era già stato avviato, e sarà perseguito nei prossimi anni, " dice de Groote. "Questi isotopi sono l'attuale frontiera per le teorie nucleari; gli sforzi sperimentali e teorici stanno quindi procedendo bene in tandem."
De Groote e i suoi colleghi hanno anche iniziato a utilizzare lo stesso metodo sperimentale introdotto nel loro recente articolo per studiare le molecole radioattive. Ad esempio, hanno recentemente completato il primissimo studio spettroscopico sul fluoruro di radio, una molecola che contiene un atomo di radio radioattivo.
"Poiché non ci sono isotopi di radio stabili, questa molecola non potrebbe mai essere studiata prima, " ha spiegato de Groote. "Questo è particolarmente emozionante, in quanto potrebbe essere la chiave per la prossima generazione di ricerca per la fisica oltre il modello standard".
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