Uma combinação sem precedentes de física nuclear experimental e técnicas de modelagem teórica e computacional foi reunida para revelar toda a extensão do escalonamento da forma ímpar-par de isótopos de mercúrio exóticos, e explique como isso acontece. O resultado, de uma equipe internacional na instalação de física nuclear ISOLDE no CERN1, publicado hoje em Física da Natureza , demonstra e explica um fenômeno único para isótopos de mercúrio, onde a forma dos núcleos atômicos se move dramaticamente entre uma bola de futebol e rúgbi.

Isótopos são formas de um elemento que contém o mesmo número de prótons em seus núcleos, mas diferentes números de nêutrons. As propriedades de diferentes isótopos podem ser exploradas de várias maneiras, incluindo datação arqueológica e histórica (carbono 14) e diagnósticos médicos. Os isótopos estáveis ​​têm uma proporção ideal de prótons para nêutrons. Contudo, conforme o número de nêutrons diminui ou aumenta, mudanças estruturais no núcleo são necessárias e o isótopo normalmente se torna instável. Isso significa que ele se transformará espontaneamente em um isótopo estável de outro elemento por meio do decaimento radioativo. Os isótopos com razões extremas de nêutrons para prótons são tipicamente de vida muito curta, tornando-os difíceis de produzir e estudar em laboratório. ISOLDE é o único lugar no mundo que pode estudar uma gama tão ampla de isótopos exóticos.

Um dos primeiros experimentos na instalação ISOLDE observou pela primeira vez uma forma nuclear dramática cambaleando na cadeia de isótopos de mercúrio. Esse resultado de mais de 40 anos mostrou que, embora a maioria dos isótopos com números de nêutrons entre 96 e 136 tenham núcleos esféricos, aqueles com 101, 103 e 105 nêutrons têm núcleos fortemente alongados, a forma de bolas de rugby. Essa descoberta permaneceu um dos principais resultados do ISOLDE, mas era tão dramático que era difícil de acreditar.

Neste novo resultado, a equipe experimental usou espectroscopia de ionização a laser, espectrometria de massa e técnicas de espectroscopia nuclear para ver mais de perto como, por que e quando essas transições de fase quântica ocorrem. A equipe não apenas reproduziu os resultados do experimento histórico (observando isótopos até Mercúrio 181), produzindo e estudando quatro isótopos exóticos adicionais (177- 180), também descobriu o ponto em que a variação da forma cessa e os isótopos de mercúrio retornam ao comportamento isotópico normal. Várias teorias tentaram descrever o que estava acontecendo, mas nenhum foi capaz de fornecer uma explicação completa.

“Devido à extrema dificuldade em produzir tais núcleos exóticos, bem como o desafio computacional de modelar um sistema tão complexo, as razões para esse fenômeno surpreendente de forma permaneceram obscuras, "explica Bruce Marsh." Só agora, com novos desenvolvimentos da fonte de íons laser de ressonância de ressonância (RILIS) do ISOLDE, e unindo forças com outras equipes ISOLDE, que fomos capazes de examinar a estrutura nuclear desses isótopos. "

Essas observações experimentais foram por si mesmas excelentes, mas a colaboração queria concluir a história explicando teoricamente o efeito de escalonamento da forma. Usando um dos supercomputadores mais poderosos do mundo, teóricos no Japão realizaram os cálculos de modelos de invólucros nucleares mais ambiciosos até hoje.

Esses cálculos identificaram os componentes microscópicos que impulsionam a mudança de forma; especificamente, que quatro prótons estão excitados além de um nível previsto pelas expectativas de como outros isótopos estáveis ​​na paisagem nuclear se comportam. Esses quatro prótons se combinam com oito nêutrons e isso leva à mudança para a forma nuclear alongada. Na verdade, ambas as formas nucleares são possíveis para cada isótopo de mercúrio, dependendo se está no solo ou no estado excitado, mas a maioria tem um núcleo em forma de bola de futebol em seu estado fundamental. A surpresa é que a Natureza escolhe o formato alongado da bola de rúgbi como o estado fundamental para três dos isótopos.

"Ingenuidade e inovação são características da comunidade ISOLDE e a geração e medição do conjunto de isótopos de mercúrio é um exemplo particularmente bonito, "disse Eckhard Elsen, Diretor de Pesquisa e Computação do CERN. "Estou ainda mais impressionado que a explicação teórica do comportamento intrigante usando a modelagem de supercomputador foi fornecida ao mesmo tempo."