La misurazione della dimensione dei nuclei atomici è stata talvolta utile per sondare aspetti dell'interazione nucleone-nucleone e le proprietà di massa della materia nucleare. Il raggio di carica dei nuclei atomici, che possono essere estratti mediante tecniche di spettroscopia laser, è sensibile sia alle proprietà di massa della materia nucleare che ai dettagli particolarmente sottili delle interazioni tra protoni e neutroni.

Molti studi recenti hanno quindi esaminato le proprietà di nuclei con rapporti protoni-neutroni sbilanciati, noti come nuclei esotici. È stato scoperto che questi nuclei esotici esibiscono nuovi fenomeni e quindi si sono rivelati preziosi per testare la teoria nucleare e migliorare l'attuale comprensione delle forze nucleari.

Tra l'altro, l'esame di nuclei esotici può aiutare a identificare nuovi numeri magici. In tale contesto, il termine "numeri magici" si riferisce al numero di protoni o neutroni che corrispondono a gusci completamente pieni in questi nuclei.

Un gruppo di ricerca guidato da fisici dell'Instituut voor Kern-en Stralingsfysica, KU Lovanio, in Belgio e dall'Università di Pechino in Cina hanno recentemente condotto uno studio che esamina isotopi di potassio esotici con 32 neutroni, che si prevedeva fosse un numero magico. La loro carta, pubblicato in Fisica della natura , presenta prove che sfidano le teorie nucleari all'avanguardia.

"Il carattere magico di un numero di protoni o neutroni, tra gli altri, si riflette in una dimensione più piccola del nucleo magico, rispetto ai suoi vicini, "Agota Koszorus, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Ci sono molti numeri magici ben noti come 2, 8 20 o 28, tuttavia nella regione di massa degli isotopi di potassio, 32 è stato proposto come un nuovo numero magico di neutroni. L'obiettivo del nostro esperimento era misurare il raggio di carica dell'isotopo di potassio che ha 33 neutroni e consentire il confronto delle dimensioni della magia proposta n =32 isotopo al suo accendino (N =31) e più pesante ( n =33) vicini."

L'identificazione di nuovi numeri magici è stato l'obiettivo chiave di molti studi recenti che indagano sulle strutture nucleari. Studiando isotopi ricchi di neutroni come quelli esaminati da Koszorus e dai suoi colleghi, però, può essere molto impegnativo, Per diverse ragioni.

in primo luogo, questi isotopi possono essere prodotti solo in impianti di fasci di ioni radioattivi come ISOLDE al CERN. Inoltre, hanno generalmente emivite molto brevi (ad es. 110 ms di lunghezza in caso di ⁵² K). Ciò significa che, una volta prodotti, i ricercatori hanno un tempo molto limitato per prepararli alle misurazioni e per esaminarli effettivamente. Nel caso specifico di ⁵² K, un'ulteriore sfida è stata la grande contaminazione isobarica nel fascio prodotto a ISOLDE.

" n =32 è un nuovo numero magico di neutroni proposto nella regione del Ca basato sulla misurazione della massa nucleare e 2 ⁺ misurazione delle energie, " Xiaofei Yang, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "Però, questo effetto magico non è stato ancora confermato dai momenti nucleari o dalle misurazioni dei raggi a causa delle limitate informazioni sperimentali nella regione del Ca".

Koszorus, Yang e i loro colleghi sono stati i primi a studiare i raggi di carica sopra n =32 e questo alla fine ha permesso loro di determinare se l'"effetto magico" fosse apparso nei raggi nucleari. Un ulteriore obiettivo del loro studio era indagare sui recenti progressi compiuti nello sviluppo di modelli basati sulla teoria nucleare.

"Anche se presso l'impianto ISOLDE gli ioni vengono selezionati in massa prima di essere consegnati alle apparecchiature sperimentali, esiste un isotopo stabile del cromo con massa molto simile, che è abbondante in natura, e nell'ambiente del sito produttivo di ISOLDE, " ha spiegato Koszorus. "Ciò significava che mentre ogni secondo 200 ⁵² Gli isotopi K sono stati consegnati alla nostra configurazione sperimentale, Sono stati inoltre consegnati 6 milioni di isotopi stabili di Cr, che ha portato a tassi di fondo schiaccianti. Abbiamo quindi dovuto modificare la nostra configurazione per fare affidamento sul rilevamento delle particelle beta emesse nel decadimento radioattivo di ⁵² K. La scuderia Cr non potrebbe quindi contribuire allo sfondo."

È interessante notare che Koszorus, Yang e i loro colleghi non hanno trovato alcun segno di comportamento magico nell'evoluzione della dimensione nucleare dell'isotopo di potassio attraverso il n =32 numero di neutroni. I ricercatori hanno anche confrontato le loro osservazioni con i risultati di calcoli basati su modelli nucleari teorici all'avanguardia, vale a dire il metodo del funzionale della densità di energia (DFT) e la teoria dei cluster accoppiati (CC).

"Il DFT è un metodo ideale per nuclei più pesanti, considerando che il modello CC è più adatto per nuclei di massa leggera e media, " ha detto Koszorus. "La regione del potassio è un terreno di incontro avvincente per testare questi approcci contemporaneamente. Entrambi i metodi teorici necessitano di informazioni sulle interazioni nucleari. Per questo scopo, sono stati applicati modelli di struttura nucleare all'avanguardia:i calcoli DFT hanno utilizzato il funzionale di densità energetica Fayans di grande successo e i calcoli CC hanno utilizzato il potenziale chirale ab-initio.

I ricercatori hanno scoperto che i modelli teorici hanno predetto con successo i cambiamenti nei raggi di carica quadratici medi osservati negli isotopi al di sotto del n =28 numero magico. I modelli che hanno testato sono apparsi utili per modellare gli isotopi con protoni e neutroni spaiati.

"Dal confronto tra i cambiamenti misurati e previsti nei raggi di carica quadratici medi è chiaro che i calcoli funzionano molto bene nel prevedere la tendenza generale al di sotto del n =28 numero magico, affrontando con successo la sfida di modellare gli isotopi con protoni e neutroni spaiati, " disse Koszorus. "A uno sguardo più attento, però, diventa evidente che i calcoli dei cluster accoppiati ab initio non riescono a prevedere il forte aumento dei raggi di carica degli isotopi ricchi di neutroni".

I ricercatori hanno ipotizzato che i problemi e le incongruenze tra i calcoli dei cluster accoppiati e le loro misurazioni potrebbero essere radicati nella natura a molti corpi del modello CC. D'altra parte, mentre il modello Fayans DFT prevedeva molto bene la tendenza generale osservata, ha sovrastimato la variazione tra le dimensioni degli isotopi di massa pari e dispari.

Globale, questi risultati suggeriscono che le teorie nucleari esistenti potrebbero dover essere ulteriormente perfezionate prima che possano prevedere efficacemente i numeri magici negli isotopi esotici. In altre parole, sembrerebbe che l'attuale comprensione delle proprietà nucleari e della struttura degli isotopi ricchi di neutroni sia ancora molto limitata. Nel futuro, i metodi utilizzati da questo team di ricercatori potrebbero essere usati per studiare altri isotopi esotici con durate di vita brevi.

"La storia dei nuovi numeri magici emergenti intorno agli isotopi di potassio è tutt'altro che finita, e un altro numero magico è stato proposto al neutrone numero 34, "Koszorus ha detto. "Lo studio di questi nuclei richiede sperimentazioni ancora più elevate in modo efficiente poiché le rese di produzione sono inferiori a 100 ioni al secondo. Lavoriamo continuamente su sviluppi tecnici per migliorare la nostra configurazione sperimentale e presto saremo pronti a spingere i limiti o le attuali tecniche all'avanguardia e testare la nostra comprensione della struttura nucleare di nuclei di isotopi molto ricchi di neutroni".

Un obiettivo chiave di molti studi contemporanei di fisica nucleare è quello di esplorare i limiti e le proprietà dei nuclei atomici governati da forze nucleari, per comprenderne meglio la struttura. Nei loro studi successivi, Koszorus, Yang e i loro colleghi hanno anche in programma di sviluppare tecniche di spettroscopia laser sempre più avanzate, poiché questi potrebbero essere usati per esaminare i nuclei atomici con maggiore precisione e raccogliere misurazioni più affidabili.

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