Fino a poco tempo fa, gli scienziati credevano che solo nuclei molto massicci potessero aver eccitato stati a spin zero di maggiore stabilità con una forma significativamente deformata. Nel frattempo, un team internazionale di ricercatori provenienti dalla Romania, Francia, Italia, gli Stati Uniti e la Polonia hanno mostrato nel loro ultimo articolo che tali stati esistono anche in nuclei di nichel molto più leggeri. La verifica positiva del modello teorico utilizzato in questi esperimenti consente di descrivere le proprietà di nuclei non disponibili nei laboratori della Terra.

Più del 99,9 per cento della massa di un atomo proviene dal nucleo atomico, il cui volume è oltre un trilione di volte inferiore al volume dell'intero atomo. Quindi, il nucleo atomico ha una densità sorprendente di circa 150 milioni di tonnellate per centimetro cubo. Ciò significa che un cucchiaio di materia nucleare pesa quasi quanto un chilometro cubo d'acqua. Nonostante le loro dimensioni molto ridotte e l'incredibile densità, i nuclei atomici sono strutture complesse fatte di protoni e neutroni. Ci si può aspettare che oggetti così estremamente densi assumano sempre una forma sferica. In realtà, però, la situazione è ben diversa:la maggior parte dei nuclei sono deformati, presentano una forma appiattita o allungata lungo uno o anche due assi, contemporaneamente. Per trovare la forma preferita di un dato nucleo, è consuetudine costruire un paesaggio dell'energia potenziale in funzione della deformazione. Si può visualizzare tale paesaggio disegnando una mappa in cui le coordinate piane sono i parametri di deformazione, cioè gradi di allungamento o appiattimento lungo i due assi, mentre il colore indica la quantità di energia necessaria per portare il nucleo ad una data forma. Tale mappa è un'analogia completa con una mappa geografica del terreno montano.

Se si forma un nucleo nella reazione nucleare, appare in un dato punto del paesaggio, richiede una deformazione specifica. Quindi inizia a scivolare (cambia deformazione) verso il punto di energia più bassa (deformazione stabile). In alcuni casi, però, prima di raggiungere lo stato fondamentale, può essere fermato per un po' in qualche minimo locale, una trappola, che corrisponde alla deformazione metastabile. Questo è molto simile all'acqua che sgorga in un punto particolare della zona di montagna e scorre verso il basso. Prima che raggiunga la valle più bassa, può essere intrappolato nelle depressioni locali per qualche tempo. Se un torrente collega la depressione locale al punto più basso del paesaggio, l'acqua scorrerà giù. Se la depressione è ben isolata, l'acqua rimarrà lì per molto tempo.

Gli esperimenti hanno dimostrato che i minimi locali nel panorama della deformazione nucleare a spin zero esistono solo in nuclei massicci con numeri atomici maggiori di 89 (attinio) e un numero totale di protoni e neutroni ben superiore a 200. Tali nuclei possono essere intrappolati in questi minimi secondari a deformazione metastabile per un periodo anche decine di milioni di volte superiore al tempo necessario per raggiungere lo stato fondamentale senza essere rallentato dalla trappola. Fino a qualche anno fa, uno stato eccitato di spin zero associato a deformazione metastabile non era mai stato osservato tra nuclei di elementi più leggeri. La situazione è cambiata alcuni anni fa quando nel nichel-66 è stato riscontrato uno stato con deformazione consistente caratterizzato da una maggiore stabilità, il nucleo con 28 protoni e 38 neutroni. Questa identificazione è stata stimolata dai calcoli eseguiti con il sofisticato modello a conchiglia Monte Carlo sviluppato dai teorici dell'Università di Tokyo, che ha predetto questa trappola di deformazione.

"I calcoli eseguiti dai nostri colleghi giapponesi hanno fornito anche un altro risultato inaspettato, " afferma il Prof. Bogdan Fornal (IFJ PAN). "Hanno dimostrato che un profondo, la depressione locale (trappola) associata a deformazioni considerevoli dovrebbe essere presente anche nel potenziale panorama energetico del nichel-64, il nucleo con due neutroni inferiori al nichel-66, che fino ad ora si riteneva avesse un solo minimo principale di forma sferica. Il problema era che nel nichel-64 la depressione era prevista ad alta energia di eccitazione - ad alta quota nell'analogia del terreno montano - ed era estremamente difficile trovare un metodo sperimentale per posizionare il nucleo in questa trappola".

Si è svolto un tour de force che ha coinvolto quattro esperimenti complementari, condotto congiuntamente da una collaborazione guidata da sperimentatori rumeni (IFIN-HH a Bucarest), Francia (Istituto Laue-Langevin, Grenoble), Italia (Università degli Studi di Milano), USA (Università del North Carolina e TUNL) e Polonia (IFJ PAN, Cracovia). Le misurazioni sono state eseguite presso quattro diversi laboratori in Europa e negli Stati Uniti:Institut Laue-Langevin (Grenoble, Francia), Laboratorio Tandem IFIN-HH (Romania), Laboratorio Nazionale Argonne (Chicago, USA) e il Laboratorio nucleare delle Università del Triangolo (TUNL, Carolina del Nord, STATI UNITI D'AMERICA). Sono stati impiegati diversi meccanismi di reazione tra cui il trasferimento di protoni e neutroni, cattura di neutroni termici, Eccitazione di Coulomb e fluorescenza a risonanza nucleare, in combinazione con le più moderne tecniche di rilevamento dei raggi gamma.

Tutti i dati presi insieme hanno permesso di stabilire l'esistenza di due minimi secondari nel potenziale panorama energetico del nichel-64, corrispondenti a forme ellissoidali oblate (appiattite) e prolate (allungate), con quello prolato profondo e ben isolato come indicato dalla transizione significativamente ritardata al minimo sferico principale.

"L'estensione del tempo che il nucleo trascorre quando intrappolato nel minimo prolato del nucleo Ni-64 non è così spettacolare come quello dei nuclei pesanti, dove raggiunge decine di milioni di volte. Abbiamo registrato l'aumento solo di poche decine di volte; tuttavia il fatto che tale incremento sia vicino a quello previsto dal nuovo modello teorico, è un grande traguardo, " afferma il prof. Fornal.

Un risultato particolarmente prezioso dello studio è l'identificazione di una componente precedentemente non considerata della forza che agisce tra i nucleoni in sistemi nucleari complessi, il cosiddetto tensore monopolo, che è responsabile del multiforme panorama della deformazione negli isotopi di nichel. Gli scienziati si aspettano che questa interazione sia responsabile in larga misura della formazione della struttura di molti nuclei che non sono ancora stati scoperti.

In una prospettiva più ampia, l'indagine presentata indica che l'approccio teorico qui applicato, essere in grado di prevedere adeguatamente le caratteristiche uniche dei nuclei di nichel, ha un grande potenziale nel descrivere le proprietà di centinaia di sistemi nucleari che oggi non sono accessibili in laboratorio sulla Terra, ma continuamente prodotto nelle stelle.