Durante muitos anos, os físicos nucleares acreditaram que as “Ilhas de Inversão” eram encontradas principalmente em isótopos cheios de nêutrons extras. Essas regiões incomuns do mapa nuclear são locais onde a estrutura normal dos núcleos atômicos deixa subitamente de seguir as regras esperadas. Nestes casos, os números mágicos bem conhecidos desaparecem, a forma redonda do núcleo é destruída e o núcleo pode ficar muito distorcido.
Até agora, todos os exemplos conhecidos ocorreram em núcleos altamente instáveis e ricos em nêutrons. Exemplos incluem berílio-12 (N = 8), magnésio-32 (N = 20) e cromo-64 (N = 40). Todos eles estão longe dos elementos estáveis comumente encontrados na natureza.
Cientistas encontraram uma estranha ilha nuclear
Um novo estudo realizado por uma equipe de pesquisa internacional encontrou algo inesperado. Cientistas do Centro de Pesquisa Nuclear Exótica, do Instituto de Ciências Básicas (IBS), da Universidade de Pádua, da Universidade de Michigan, da Universidade de Estrasburgo e de várias outras instituições identificaram a Ilha da Inversão em um local que ninguém esperava.
Em vez de aparecer em núcleos de nêutrons pesados, a região recém-descoberta existe em uma das partes mais simétricas do mapa nuclear. Nesta região, o número de prótons e nêutrons é igual.
Estudo de isótopos raros de molibdênio
Os pesquisadores se concentraram em dois isótopos de molibdênio: molibdênio-84 (Z = N = 42) e molibdênio-86 (Z = 42, N = 44). Ambos ficam ao longo do rio N = Z linhas, o que é especialmente importante na física nuclear. No entanto, estes isótopos são extremamente difíceis de estudar porque são difíceis de criar em experiências de laboratório.
Usando feixes de isótopos raros da Universidade Estadual de Michigan e detectores de raios gama altamente sensíveis, a equipe mediu o tempo de vida dos estados nucleares excitados até o picossegundo mais próximo.
Para criar o feixe necessário, os cientistas aceleraram os íons Mo-92 e os dispararam contra um alvo de berílio, produzindo núcleos de Mo-86 em movimento rápido. O separador A1900 foi usado para isolar os fragmentos desejados das muitas partículas produzidas durante a colisão. O feixe do Mo-86 foi então direcionado para um segundo alvo. Durante esta fase, alguns núcleos ficaram excitados enquanto outros perderam dois nêutrons e se tornaram Mo-84.
Quando estes núcleos regressaram aos seus estados de energia mais baixos, emitiram raios gama que forneceram pistas sobre a sua estrutura interna.
Medições de raios gama revelam estrutura nuclear
Os raios gama emitidos foram detectados usando GRETINA, um detector de germânio de alta resolução capaz de rastrear interações individuais de raios gama. Os cientistas também usaram o TRIPLEX, um instrumento projetado para medir tempos de vida extremamente curtos, que duram apenas trilionésimos de segundo.
Os pesquisadores compararam as medições com simulações do GEANT4 Monte Carlo. Isto permitiu-lhes determinar o tempo de vida dos primeiros estados nucleares excitados e estimar o quanto os núcleos foram distorcidos por serem esféricos.
Uma grande diferença entre o Mo-84 e o Mo-86
Os resultados mostraram um contraste surpreendente entre os dois isótopos. Embora o Mo-84 e o Mo-86 difiram apenas em dois nêutrons, seu comportamento é muito diferente.
Mo-84 exibe uma quantidade incomum de movimento coletivo. Isto significa que muitos prótons e nêutrons se movem juntos através de uma grande lacuna na camada. Os físicos nucleares descrevem esse fenômeno como “excitação de buraco de partícula”. Nesse processo, alguns núcleons passam para orbitais de energia mais elevada, tornando-se partículas, deixando espaços vazios ou buracos nos orbitais de energia mais baixa.
Quando muitos núcleons estão envolvidos nessas transições coordenadas, o núcleo fica fortemente deformado.
Excitações de buraco e deformação nuclear
Cálculos teóricos detalhados ajudaram a explicar por que os dois isótopos se comportam de maneira tão diferente. No Mo-84, prótons e nêutrons sofrem excitações simultâneas de buracos muito grandes. Na verdade, o núcleo sofre um rearranjo de 8 partículas e 8 buracos. Esta extensa reorganização cria uma forma central altamente deformada.
O efeito surge da interação entre a simetria próton-nêutron e o estreitamento da lacuna da camada em N = Z = 40. Esta combinação permite que muitos núcleons saltem através da lacuna simultaneamente.
Os investigadores também descobriram que estes resultados não poderiam ser reproduzidos sem ter em conta as três forças do núcleon. Nessas interações, três núcleons afetam um ao outro simultaneamente. Modelos que incluem apenas interações tradicionais de dois núcleons não podem produzir a estrutura observada.
Um novo tipo de inversão de ilha
O Mo-86 se comporta de maneira completamente diferente. Exibe excitações 4p-4h mais modestas e, portanto, permanece muito menos distorcida.
Em conjunto, os resultados indicam que o Mo-84 está localizado dentro da recém-identificada “Ilha de Inversão”, enquanto o Mo-86 está localizado fora desta região.
Esta recém-descoberta “ilha de inversão isospin-simétrica” em N = Z o núcleo Mo-84 representa o primeiro exemplo conhecido de ilha de inversão em um sistema simétrico próton-nêutron. A descoberta desafia suposições de longa data sobre onde estas regiões nucleares incomuns podem se formar e oferece novos insights sobre as forças fundamentais que mantêm os núcleos atômicos unidos.
