Observações recentes da estrutura interna do raro isótopo rutênio-88 lançaram uma nova luz sobre a estrutura interna dos núcleos atômicos, um avanço que também pode levar a maiores descobertas sobre como alguns elementos químicos da natureza e seus isótopos são formados.

Liderado por Bo Cederwall, Professor de Física Nuclear Experimental do KTH Royal Institute of Technology, uma equipe de pesquisa internacional identificou novos estados rotacionais em pessoas extremamente deficientes em nêutrons, deformado, núcleo atômico ⁸⁸ Ru. Os resultados sugerem que a estrutura desse sistema nuclear exótico é fortemente influenciada pela presença de pares próton-nêutron fortemente acoplados.

"Essa estrutura é fundamentalmente diferente das condições normais observadas em núcleos atômicos, onde nêutrons e prótons interagem em pares em sistemas separados, formando um estado quase superfluido, "Cederwall diz.

Os resultados também podem sugerir explicações alternativas para como a produção de diferentes elementos químicos, e, em particular, seus isótopos mais pobres em nêutrons, prossegue nas reações de nucleossíntese em certos ambientes estelares, como binários gigantes de estrela vermelha de nêutrons, ele diz.

A descoberta, que foi publicado em 12 de fevereiro na revista, Cartas de revisão física , resultados de uma experiência no Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL), França, usando o Advanced Gamma Tracking Array (AGATA).

Os pesquisadores usaram colisões nucleares para criar núcleos atômicos altamente instáveis ​​com números iguais de nêutrons e prótons. Sua estrutura foi estudada usando instrumentos sensíveis, incluindo AGATA, detectar a radiação que eles emitem na forma de fótons de alta energia, nêutrons, prótons e outras partículas.

De acordo com o modelo padrão da física de partículas que descreve as partículas elementares e suas interações, existem dois tipos gerais de partículas na natureza; bósons e férmions, que têm spins inteiros e meio inteiros, respectivamente. Exemplos de férmions são partículas fundamentais como o elétron e o neutrino do elétron, mas também partículas compostas como o próton e o nêutron e seus blocos de construção fundamentais, os quarks. Exemplos de bósons são os portadores de força fundamentais; o fóton, os bósons vetoriais intermediários, os glúons e o gráviton.

As propriedades de um sistema de partículas diferem consideravelmente dependendo se ele é baseado em férmions ou bósons. Como resultado do princípio de Pauli da mecânica quântica, em um sistema de férmions (como um núcleo atômico), apenas uma partícula pode manter um certo estado quântico em um determinado ponto no espaço e no tempo. Para que vários férmions apareçam juntos, pelo menos uma propriedade de cada fermion, como seu giro, deve ser diferente. Em sistemas de baixa temperatura de muitos férmions podem exibir condensados ​​de partículas emparelhadas que se manifestam como superfluidez para partículas não carregadas (por exemplo, o superfluido 3He), e supercondutividade para partículas carregadas, como elétrons em um supercondutor abaixo da temperatura crítica. Bosons, por outro lado, pode condensar individualmente com um número ilimitado de partículas no mesmo estado, os chamados condensados ​​de Bose-Einstein.

Na maioria dos núcleos atômicos que estão próximos da linha de estabilidade beta e em seu estado fundamental, ou excitado com uma energia não muito acima dela, a estrutura básica parece ser baseada em condensados ​​par correlacionados de partículas com o mesmo número quântico isospin, mas com spins opostos. Isso significa que nêutrons e prótons são emparelhados separadamente. Essas correlações de pares de isovetores dão origem a propriedades semelhantes à superfluidez e supercondutividade. Em núcleos deformados, esta estrutura é, por exemplo, revelada como descontinuidades na frequência rotacional quando a energia de excitação rotacional do núcleo é aumentada.

Essas descontinuidades, que foram descobertos já no início dos anos 1970 pelo professor emérito do KTH, Arne Johnson, foram rotulados de "flexão". A frequência de retrocesso é uma medida da energia necessária para quebrar um par de nêutrons ou prótons e, portanto, também reflete a energia liberada pela formação de um par de núcleos no núcleo. Existem previsões teóricas de longa data com as quais os sistemas de pares nêutron-próton podem ser misturados, ou até mesmo substituir, as correlações de pares isovetores padrão em núcleos atômicos exóticos com números iguais de prótons e nêutrons. A estrutura nuclear resultante do componente isoescalar de tais correlações de pares é diferente daquela encontrada em núcleos atômicos "comuns" próximos à estabilidade. Entre os diferentes possíveis observáveis ​​experimentais, prevê-se que a frequência de retrocesso em núcleos deformados aumente significativamente em comparação com núcleos com diferentes números de nêutrons e prótons.

O grupo de pesquisa KTH observou anteriormente evidências de fortes correlações nêutron-próton no núcleo nuclear esférico 92Pd, que foi publicado no jornal Natureza . O isótopo de rutênio ⁸⁸ Ru, com 44 nêutrons e 44 prótons, está deformado e exibe uma estrutura semelhante a uma rotação que agora foi observada até um spin superior, ou frequência de rotação, do que anteriormente possível. A nova medição fornece um ângulo diferente nas correlações de pares nucleares em comparação com o trabalho anterior. Ao confirmar as previsões teóricas de uma mudança em direção à frequência de retrocesso mais alta, ele fornece evidências complementares para a ocorrência de correlações de pares isoescalar fortes nos sistemas nucleares mais pesados ​​com números iguais de nêutrons e prótons.