Cientistas da IFJ PAN, juntamente com colegas da Universidade de Milano (Itália) e de outros países, confirmaram a necessidade de incluir as interações de três núcleos na descrição das transições eletromagnéticas no ²⁰ O núcleo atômico. Vital para validar os cálculos teóricos modernos da estrutura nuclear foi a aplicação de sistemas detectores de raios gama de última geração e a técnica recentemente desenvolvida para medições de femtossegundos em núcleos exóticos produzidos em reações inelásticas profundas de íons pesados.

Os núcleos atômicos consistem em núcleons - prótons e nêutrons. Prótons e nêutrons são sistemas de quarks e glúons mantidos juntos por fortes interações nucleares. A física dos quarks e glúons é descrita pela cromodinâmica quântica (QCD), portanto, poderíamos esperar que as propriedades das forças nucleares também resultassem dessa teoria. Infelizmente, apesar de muitas tentativas, determinar as características de interações fortes com base em QCD enfrenta enormes dificuldades computacionais. Contudo, relativamente se sabe muito sobre as propriedades das forças nucleares - esse conhecimento é baseado em muitos anos de experimentação. Também foram desenvolvidos modelos teóricos que podem reproduzir as propriedades básicas das forças que atuam entre um par de núcleons - eles fazem uso dos chamados potenciais de interação nucleon-nucleon eficazes.

Conhecendo os detalhes da interação entre dois núcleons, esperaríamos que a descrição da estrutura de qualquer núcleo atômico não fosse um problema. Surpreendentemente, Acontece que quando um terceiro nucleon é adicionado ao sistema de dois nucleon, a atração entre os dois núcleos iniciais aumenta. O que se segue, a força da interação entre os componentes de cada par de núcleons no sistema de três corpos aumenta - aparece uma força adicional que parece não existir no caso de um par isolado. Essa contribuição intrigante é chamada de força irredutível de três núcleos.

Esta situação acabou sendo uma inspiração para os cientistas do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências e seus colegas da Universidade de Milão. Eles perceberam que um teste perfeito para a presença de interações de três núcleos em núcleos poderia ser determinar o tempo de vida de estados excitados selecionados em isótopos de oxigênio e carbono ricos em nêutrons. Como resultado de análises detalhadas, o conceito de um experimento nasceu, cujos coordenadores passaram a ser a Profa. Silvia Leoni da Universidade de Milão e o Dr. Michal Ciemala e o Prof. Bogdan Fornal do IFJ PAN. Pesquisadores que trabalham no laboratório francês GANIL em Caen e outras instituições de pesquisa de todo o mundo também foram convidados a cooperar neste projeto.

"O experimento se concentrou em determinar o tempo de vida de estados nucleares excitados para isótopos de carbono e oxigênio ricos em nêutrons, ¹⁶ C e ²⁰ O, "explica o Prof. Fornal." Nestes núcleos, os estados excitados aparecem, que parecem ser particularmente sensíveis à inclusão nos cálculos da interação de três corpos (nucleon-nucleon-nucleon-NNN), além da interação nuclear de dois corpos (nucleon-nucleon-NN). No caso do ²⁰ O núcleo, a vida do segundo estado excitado 2+, calculado apenas para a interação NN, deve ser 320 femtossegundos, levando em consideração as interações NN e NNN, os cálculos dão o resultado de 200 femtossegundos. Para a vida do segundo estado 2+ em ¹⁶ C, a diferença é ainda maior:370 femtossegundos (NN) versus 80 femtossegundos (NN + NNN). "

O experimento dedicado a medir o tempo de vida foi realizado no centro de pesquisa GANIL em Caen, França. Os cientistas usaram detectores de radiação gama (AGATA e PARIS) conectados a um espectrômetro magnético (VAMOS). A reação de um feixe 18O com um alvo 181Ta gerou núcleos atômicos excitados de elementos como B, C, N, O e F como resultado de espalhamento inelástico profundo ou processos de transferência de núcleon. Nos núcleos móveis investigados, os estados quânticos excitados decaíram pela emissão de fótons de alta energia, cuja energia foi deslocada em comparação com a energia das transições no quadro de repouso. Essa mudança depende da velocidade do núcleo emissor de fótons e do ângulo de emissão. Este fenômeno é descrito pela fórmula Doppler relativística.

Para tempos de vida de nível nuclear mais curtos do que o tempo de voo do núcleo excitado através do alvo (cerca de 300 femtossegundos), a emissão quântica gama ocorre principalmente quando o núcleo ainda está no alvo. No caso descrito, os cientistas mediram a velocidade do núcleo após sua passagem pelo alvo. Usando esta velocidade para corrigir o espectro de energia da radiação gama, as linhas espectrais obtidas têm a forma correspondente à distribuição gaussiana para os casos em que o tempo de vida do estado excitado é longo. Para vidas de 100 a 200 femtossegundos, as linhas espectrais mostram um componente assimétrico e para vidas menores que 100 femtossegundos elas são completamente alteradas para energias menores.

"Para determinar o tempo de vida, conduzimos simulações e comparamos seus resultados com o espectro medido de energia da radiação gama, "diz o Dr. Ciemala, o autor do conceito de medição do tempo de decaimento do estado nuclear usado no experimento. "Nestes estudos, o método descrito acima foi aplicado pela primeira vez para determinar o tempo de vida de estados excitados em núcleos produzidos em reações inelásticas profundas. Ele exigiu o desenvolvimento de códigos de simulação Monte Carlo avançados que incluíam a cinemática da reação e reproduzissem as distribuições de velocidade medidas dos produtos da reação. O método usado, em conjunto com os sistemas de detecção aplicados, trouxe resultados muito satisfatórios. "

A pesquisa descrita pela primeira vez permitiu aos cientistas medir o tempo de vida de dezenas e centenas de femtossegundos de um estado nuclear criado em uma reação inelástica profunda - no caso descrito, foi o segundo estado 2+ no ²⁰ O núcleo para o qual o tempo de vida de 150 femtossegundos foi obtido. A validade do novo método foi demonstrada pela determinação dos tempos de vida para os estados excitados no ¹⁹ O núcleo que concordou perfeitamente com os dados da literatura. É necessário enfatizar que o tempo de vida do segundo estado 2+ em ²⁰ O, obtido neste trabalho, concorda com as previsões teóricas apenas se as interações de dois e três corpos forem levadas em consideração ao mesmo tempo. Isso leva à conclusão de que as grandezas de medição fornecidas por transições eletromagnéticas e obtidas usando espectroscopia gama precisa podem ser sondas muito boas na avaliação da qualidade de cálculos ab initio da estrutura nuclear.

"Este procedimento pioneiro desenvolvido nos ajudará a medir a vida útil de estados excitados para núcleos muito exóticos longe do vale de estabilidade, que podem ser criados em reações inelásticas profundas usando feixes radioativos de alta intensidade, que em breve estará disponível, por exemplo, no INFN Laboratori Nazionali di Legnaro, perto de Pádua, na Itália, "argumenta o prof. Fornal." As informações obtidas serão essenciais para a astrofísica nuclear e certamente contribuirão para o avanço no entendimento da formação dos núcleos atômicos no processo de rápida captura de nêutrons em explosões de supernovas ou fusão de estrelas de nêutrons recentemente observadas medindo as ondas gravitacionais em coincidência com a radiação gama. "