Tamanhos e formatos de núcleos com mais de 100 prótons eram até agora experimentalmente inacessíveis. A espectroscopia a laser é uma técnica estabelecida para medir propriedades fundamentais de átomos exóticos e seus núcleos. Pela primeira vez, esta técnica foi agora estendida para medir com precisão a excitação óptica dos níveis atômicos na camada atômica de três isótopos do elemento pesado nobélio, que contêm 102 prótons em seus núcleos e não ocorrem naturalmente. Isso foi relatado por uma equipe internacional de cientistas da GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), o Helmholtz Institute Mainz (HIM), TU Darmstadt, KU Leuven na Bélgica, a Universidade de Liverpool no Reino Unido e TRIUMF em Vancouver, Canadá. Os núcleos de elementos pesados ​​podem ser produzidos em quantidades mínimas de alguns átomos por segundo em reações de fusão usando poderosos aceleradores de partículas. Os resultados obtidos são bem descritos por modelos nucleares, o que sugere que os núcleos têm uma estrutura semelhante a uma bolha com densidade mais baixa em seu centro do que em sua superfície. Os resultados foram publicados em um artigo recente em Cartas de revisão física .

Os átomos consistem em um núcleo carregado positivamente rodeado por uma camada de elétrons. Os elétrons internos penetram no volume do núcleo e, portanto, as energias do nível atômico são influenciadas pelo tamanho e forma do núcleo atômico. Uma diferença no tamanho de dois núcleos atômicos diferentes, resultando, por exemplo, de um número diferente de nêutrons resulta em uma pequena mudança nos níveis de energia eletrônica. Medições precisas dessas energias são possíveis usando luz laser. As mudanças de energia são rastreadas variando-se a frequência e, correspondentemente, a cor da luz necessária para excitar os elétrons a níveis de energia mais elevados. Até aqui, este método só poderia ser aplicado a isótopos de elementos mais leves que são produzidos em taxas de produção maiores e cuja estrutura atômica já era conhecida a partir de experimentos com abundantes isótopos de vida longa ou estáveis. Núcleos de elementos acima do férmio (Fm, Z =100) podem ser produzidos em quantidades mínimas de alguns átomos por segundo em reações de fusão e geralmente existem apenas por no máximo alguns segundos. Portanto, sua estrutura atômica até agora não era acessível com métodos espectroscópicos a laser.

Nos experimentos atuais, os isótopos de nobélio foram produzidos pela fusão de íons de cálcio com chumbo no filtro de velocidade SHIP nas instalações do acelerador do GSI. Para habilitar a espectroscopia a laser, os átomos de nobélio de alta energia foram interrompidos no gás argônio. Os resultados são baseados em um experimento anterior também conduzido no GSI, explorando as transições atômicas de nobélio (Não). O elemento químico com número atômico 102 foi descoberto há cerca de 60 anos. O experimento recente investigou os isótopos No-254, No-253, e No-252, que diferem no número de nêutrons constituintes em seus núcleos, com espectroscopia a laser. As taxas disponíveis para o experimento alcançaram valores abaixo de um íon por segundo para o isótopo No-252.

A partir das medições da frequência de excitação para os isótopos individuais, a mudança na cor da luz laser necessária foi determinada para o Nº 252 e Nº 254. Para No-253, a fragmentação da linha em vários componentes hiperfinos induzida pelo nêutron ímpar único desemparelhado também foi resolvida. Os tamanhos e formas dos núcleos atômicos foram deduzidos do uso de cálculos teóricos da estrutura atômica do nobélio, que foram realizadas em colaboração com cientistas do Helmholtz Institute Jena na Alemanha, a Universidade de Groningen, na Holanda, e a University of New South Wales em Sydney, Austrália. Os resultados confirmam que os isótopos de nobélio não são esféricos, mas são deformados como uma bola de futebol americano. A mudança medida no tamanho é consistente com os cálculos do modelo nuclear realizados por cientistas do GSI e da Michigan State University nos EUA. Esses cálculos prevêem que os núcleos estudados apresentam uma densidade de carga menor em seu centro do que em sua superfície.

Graças a esses estudos pioneiros, outros nuclídeos pesados ​​estarão acessíveis para técnicas espectroscópicas de laser, permitindo uma investigação sistemática das mudanças de tamanho e forma na região de núcleos pesados. Esses experimentos até agora só são possíveis no GSI e permitem uma compreensão única e aprofundada da estrutura atômica e nuclear dos elementos mais pesados. Os resultados também desempenham um papel para a futura instalação FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), que está atualmente em construção no GSI. As mesmas técnicas e métodos também podem ser empregados no ramo de baixa energia do separador de superfragmentos FAIR.