Cientistas do Centro RIKEN Nishina para Pesquisa Baseada em Aceleradores e colaboradores usaram o acelerador de íons pesados ​​do centro, a RI Beam Factory, para demonstrar que o níquel-78, um isótopo de níquel "duplamente mágico" rico em nêutrons, com 28 prótons e 50 nêutrons, ainda mantém uma forma esférica que o torna relativamente estável, apesar do grande desequilíbrio no número de prótons e nêutrons. Eles também descobriram uma surpresa - observações do experimento sugerem que o níquel-78 pode ser o núcleo mais leve com 50 nêutrons a ter uma natureza mágica. Isótonos mais leves - ou seja, núcleos com o mesmo número de nêutrons, mas número diferente de prótons - seriam inevitavelmente deformados, apesar de ter o número mágico de nêutrons.

Compreender a validade dos números mágicos em núcleos extremamente ricos em nêutrons é crucial para entender por que nosso universo tem a mistura de núcleos que vemos hoje. Elementos mais pesados ​​que o ferro não são sintetizados na queima normal das estrelas, mas são criados principalmente por meio de dois processos conhecidos como s-process e r-process, que envolvem núcleos capturando nêutrons extras. O processo-r, em que os nêutrons são rapidamente absorvidos, é particularmente importante, pois é responsável pela criação de certos núcleos ricos em nêutrons. Durante o processo, núcleos acumulam nêutrons até atingirem um estado em que não podem mais aceitá-los - este estado é conhecido como ponto de espera - e então passam por um processo conhecido como decaimento beta, em que eles perdem um nêutron, mas ganham um próton, permitindo-lhes começar a aceitar novos nêutrons. O processo-r, que responde por cerca de metade da produção de núcleos mais pesados ​​que o ferro, só pode ocorrer em ambientes extraordinários ricos em nêutrons, como explosões de supernovas e fusões de estrelas de nêutrons como a que foi observada em 2017.

A localização precisa desses "pontos de espera" não é bem compreendida, Contudo. Para complicar o processo, os números mágicos de prótons ou nêutrons - equivalente à ideia de camadas fechadas de elétrons em química - tornam os núcleos mais resistentes à captura de mais nêutrons. Um número mágico bem conhecido é 50 nêutrons, mas não está claro se esse número é preservado para núcleos extremamente ricos em nêutrons.

Para obter uma resposta, o grupo decidiu experimentar com níquel-78, um isótopo duplamente mágico que só recentemente se tornou acessível para experimentação graças a poderosos aceleradores como o RI Beam Factory no Japão, o usado neste estudo. Para realizar o experimento, publicado em Natureza , os pesquisadores combinaram as observações do detector MINOS operado pela CEA na França e do detector DALI2 operado pela RIKEN, ambos localizados dentro do complexo RIBF. Eles geraram um feixe de urânio-238 e o usaram para bombardear um alvo de berílio, forçando a fissão do urânio em isótopos como cobre-79 e zinco-80 - ambos com 50 nêutrons.

Esses dois feixes foram então enviados para atingir um alvo de hidrogênio, às vezes produzindo níquel-78, o foco da pesquisa.

Usando detectores de raios gama, o grupo demonstrou que o níquel-78 é relativamente estável, conforme previsto por cálculos, mantendo uma forma esférica em vez de deformada. Ryo Taniuchi da Universidade de Tóquio e do RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science afirma:"Ficamos felizes em poder mostrar experimentalmente que o níquel-78 mantém a forma esférica que os cálculos previam. Ficamos surpresos, Contudo, descobrir que o núcleo também tem uma forma competitiva, que não é esférico, e que qualquer isótono mais leve do que o que usamos estaria sujeito a esta deformação e não manteria sua natureza mágica. "

Pieter Doornenbal do Nishina Center diz:"Esta é uma descoberta importante, pois nos dá novos insights sobre como os números mágicos aparecem e desaparecem na paisagem nuclear e afetam o processo de nucleossíntese que levou à abundância de isótopos que vemos no universo hoje. Pretendemos fazer mais experimentos com isótonos ainda mais leves com 50 nêutrons para demonstrar experimentalmente essa descoberta. "