Medir o tamanho dos núcleos atômicos às vezes tem sido útil para investigar aspectos da interação núcleo-núcleo e as propriedades de massa da matéria nuclear. O raio de carga dos núcleos atômicos, que pode ser extraído usando técnicas de espectroscopia a laser, é sensível tanto às propriedades gerais da matéria nuclear quanto aos detalhes particularmente sutis das interações entre prótons e nêutrons.

Muitos estudos recentes, portanto, examinaram as propriedades dos núcleos com relações próton-nêutron desequilibradas, conhecidos como núcleos exóticos. Descobriu-se que esses núcleos exóticos exibem novos fenômenos e, portanto, têm se mostrado valiosos para testar a teoria nuclear e melhorar a compreensão atual das forças nucleares.

Entre outras coisas, examinar núcleos exóticos pode ajudar a identificar novos números mágicos. Nesse contexto, o termo 'números mágicos' refere-se ao número de prótons ou nêutrons que correspondem a camadas completamente preenchidas nesses núcleos.

Uma equipe de pesquisa liderada por físicos do Instituut voor Kern-en Stralingsfysica, KU Leuven, na Bélgica e pela Universidade de Pequim na China realizaram recentemente um estudo examinando isótopos de potássio exóticos com 32 nêutrons, que foi previsto ser um número mágico. Seu papel, publicado em Física da Natureza , apresenta evidências que desafiam as teorias nucleares de ponta.

"O caráter mágico de um número de próton ou nêutron, entre outros, se reflete em um tamanho menor do núcleo mágico, em comparação com seus vizinhos, "Agota Koszorus, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Existem vários números mágicos bem conhecidos, como 2, 8 20 ou 28, no entanto, na região de massa dos isótopos de potássio, 32 foi proposto como um novo número de nêutrons mágicos. O objetivo de nosso experimento foi medir o raio de carga do isótopo de potássio que possui 33 nêutrons e permitir a comparação do tamanho da magia proposta. N =32 isótopo ao seu isqueiro (N =31) e mais pesado ( N =33) vizinhos. "

Identificar novos números mágicos tem sido o objetivo principal de muitos estudos recentes que investigam estruturas nucleares. Estudando isótopos ricos em nêutrons, como os examinados por Koszorus e seus colegas, Contudo, pode ser muito desafiador, por várias razões.

Em primeiro lugar, esses isótopos só podem ser produzidos em instalações de feixes de íons radioativos como o ISOLDE no CERN. Além disso, eles geralmente têm meia-vida muito curta (por exemplo, 110 ms de comprimento no caso de ⁵² K). Isso significa que, uma vez produzidos, os pesquisadores têm um tempo muito limitado para prepará-los para as medições e para realmente examiná-los. No caso específico de ⁵² K, um desafio adicional foi a grande contaminação isobárica no feixe produzido no ISOLDE.

" N =32 é um novo número mágico de nêutrons proposto na região de Ca com base na medição de massa nuclear e 2 ⁺ medição de energias, "Xiaofei Yang, outro pesquisador envolvido no estudo, disse a Phys.org. "Contudo, este efeito mágico ainda não foi confirmado a partir dos momentos nucleares ou medidas de raios devido às informações experimentais limitadas na região de Ca. "

Koszorus, Yang e seus colegas foram os primeiros a estudar os raios de carga acima N =32 e isso finalmente permitiu-lhes determinar se o "efeito mágico" apareceu nos raios nucleares. Um outro objetivo de seu estudo foi investigar o progresso recente feito no desenvolvimento de modelos baseados na teoria nuclear.

"Mesmo que na instalação ISOLDE os íons sejam selecionados em massa antes de serem entregues às instalações experimentais, há um isótopo de cromo estável com massa muito semelhante, que é abundante na natureza, e no ambiente do site de produção do ISOLDE, "Koszorus explicou." Isso significava que a cada segundo 200 ⁵² Isótopos K foram entregues à nossa configuração experimental, 6 milhões de isótopos estáveis ​​de Cr também foram entregues, o que resultou em taxas de fundo esmagadoras. Portanto, tivemos que modificar nossa configuração para confiar na detecção das partículas beta emitidas no decaimento radioativo de ⁵² K. O Cr estável, portanto, não poderia contribuir para o fundo. "

Curiosamente Koszorus, Yang e seus colegas não encontraram nenhum sinal de comportamento mágico na evolução do tamanho nuclear do isótopo de potássio em todo o N =Número de nêutrons 32. Os pesquisadores também compararam suas observações aos resultados de cálculos baseados em modelos nucleares teóricos de última geração, nomeadamente o método funcional da densidade de energia (DFT) e a teoria do cluster acoplado (CC).

"O DFT é um método ideal para núcleos mais pesados, Considerando que o modelo CC é mais adequado para núcleos de massa leve e média, "Koszorus disse." A região do potássio é um ponto de encontro atraente para testar essas abordagens simultaneamente. Ambos os métodos teóricos precisam de informações sobre as interações nucleares. Para este propósito, modelos de estrutura nuclear de última geração foram aplicados:os cálculos DFT empregaram funcional de densidade de energia de Fayans altamente bem-sucedido e cálculos de CC usaram potencial quiral ab-initio. "

Os pesquisadores descobriram que os modelos teóricos previram com sucesso as mudanças nos raios de carga quadrática média que observaram em isótopos abaixo do N =28 número mágico. Os modelos testados pareciam úteis para modelar isótopos com prótons e nêutrons desemparelhados.

"A partir da comparação entre as mudanças medidas e previstas nos raios de carga quadrática média, fica claro que os cálculos funcionam muito bem na previsão da tendência geral abaixo do N =28 número mágico, assumir com sucesso o desafio de modelar isótopos com prótons e nêutrons desemparelhados, "Koszorus disse." Olhando mais de perto, Contudo, torna-se aparente que os cálculos de agrupamento acoplado ab initio falham em prever o aumento acentuado nos raios de carga dos isótopos ricos em nêutrons. "

Os pesquisadores levantaram a hipótese de que os problemas e inconsistências entre os cálculos do cluster acoplado e suas medições podem estar enraizados na natureza de muitos corpos do modelo CC. Por outro lado, enquanto o modelo Fayans DFT previu a tendência geral que observaram muito bem, ele superestimou a variação entre o tamanho dos isótopos de massa ímpar e par.

Geral, essas descobertas sugerem que as teorias nucleares existentes podem precisar ser aperfeiçoadas antes que possam prever efetivamente os números mágicos em isótopos exóticos. Em outras palavras, parece que a compreensão atual das propriedades nucleares e da estrutura dos isótopos ricos em nêutrons ainda é muito limitada. No futuro, os métodos usados ​​por esta equipe de pesquisadores poderiam ser usados ​​para estudar outros isótopos exóticos com curta duração.

"A história dos novos números mágicos emergentes em torno dos isótopos de potássio está longe de terminar, e outro número mágico foi proposto no número de nêutrons 34, "Koszorus disse." O estudo desses núcleos requer uma eficiência experimental ainda maior, uma vez que os rendimentos de produção estão abaixo de 100 íons por segundo. Estamos continuamente trabalhando em desenvolvimentos técnicos para melhorar nossa configuração experimental e em breve estaremos prontos para empurrar os limites ou as técnicas atuais de ponta e testar nossa compreensão da estrutura nuclear de núcleos de isótopos muito ricos em nêutrons. "

Um dos principais objetivos de muitos estudos contemporâneos de física nuclear é explorar os limites e propriedades dos núcleos atômicos governados por forças nucleares, para entender melhor sua estrutura. Em seus próximos estudos, Koszorus, Yang e seus colegas também planejam desenvolver técnicas de espectroscopia a laser cada vez mais avançadas, pois estes poderiam ser usados ​​para examinar núcleos atômicos com maior precisão e coletar medições mais confiáveis.

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