O nouă și surprinzătoare „Insulă de Inversiune” a fost descoperită în molibden-84, un nucleu cu un număr egal de protoni și neutroni. Această descoperire răstoarnă credința că aceste modificări structurale exotice apar doar în izotopii bogați în neutroni.
De mulți ani, fizicienii nucleari au crezut că „Insulele de Inversiune” se găsesc mai ales în izotopi încărcați cu neutroni suplimentari. Aceste regiuni neobișnuite ale diagramei nucleare sunt locuri în care structura normală a nucleelor atomice încetează brusc să urmeze regulile așteptate. În aceste cazuri, numerele magice bine cunoscute dispar, formele nucleare rotunde se destramă, iar nucleul se poate deplasa într-o formă extrem de distorsionată. Până acum, fiecare exemplu cunoscut a apărut în nuclei foarte instabili, bogați în neutroni. Exemplele includ beriliu-12 (N = 8), magneziu-32 (N = 20) și crom-64 (N = 40). Toate acestea se află departe de elementele stabile găsite în mod obișnuit în natură.
Un nou studiu realizat de o echipă internațională de cercetare a descoperit ceva neașteptat. Oamenii de știință de la Centrul pentru Studii Nucleare Exotice, Institutul pentru Științe Fundamentale (IBS), Universitatea din Padova, Universitatea de Stat Michigan, Universitatea din Strasbourg și alte câteva instituții au identificat o Insulă de Inversiune într-un loc pe care nimeni nu l-a anticipat. În loc să apară în nuclee grele în neutroni, regiunea nou descoperită există într-una dintre cele mai simetrice părți ale diagramei nucleare. În această regiune, numărul de protoni și neutroni este egal.
Cercetătorii s-au concentrat pe doi izotopi ai molibdenului: molibden-84 (Z = N = 42) și molibden-86 (Z = 42, N = 44). Ambii se află de-a lungul liniei N = Z, care este deosebit de importantă în fizica nucleară. Cu toate acestea, acești izotopi sunt extrem de dificil de studiat, deoarece sunt greu de creat în experimentele de laborator.
Folosind fascicule de izotopi rari la Universitatea de Stat Michigan și detectoare de raze gamma extrem de sensibile, echipa a măsurat duratele de viață ale stărilor nucleare excitate cu precizie la scara picosecundelor. Pentru a genera fasciculul necesar, oamenii de știință au accelerat ionii Mo-92 și i-au tras către o țintă de beriliu, producând nuclee Mo-86 în mișcare rapidă. Un separator A1900 a fost folosit pentru a izola fragmentele dorite de multele particule produse în timpul coliziunii. Fasciculul Mo-86 a fost apoi direcționat către o a doua țintă. În timpul acestei etape, unele nuclee au devenit excitate, în timp ce altele au pierdut doi neutroni și s-au transformat în Mo-84. Pe măsură ce aceste nuclee au revenit la stările lor de energie cea mai scăzută, au emis raze gamma care au oferit indicii despre structura lor internă.
Rzele gamma emise au fost detectate cu GRETINA, o matrice de detectori de germaniu de înaltă rezoluție, capabilă să urmărească interacțiunile individuale ale razelor gamma. Oamenii de știință au folosit, de asemenea, TRIPLEX, un instrument conceput pentru a măsura durate de viață extrem de scurte, care durează doar trilioane de secunde. Cercetătorii au comparat măsurătorile cu simulările GEANT4 Monte Carlo. Acest lucru le-a permis să determine duratele de viață ale primelor stări nucleare excitate și să estimeze cât de mult erau distorsionate nucleele față de o formă sferică.
Rezultatele au arătat un contrast izbitor între cei doi izotopi. Deși Mo-84 și Mo-86 diferă doar cu doi neutroni, comportamentul lor este foarte diferit. Mo-84 prezintă o cantitate neobișnuit de mare de mișcare colectivă. Aceasta înseamnă că mulți protoni și neutroni se mișcă împreună peste un decalaj major de strat. Fizicienii nucleari descriu acest fenomen ca o „excitație particulă-gaură”. În acest proces, unii nucleoni sar pe orbitali de energie mai mare, devenind particule, în timp ce lasă spații goale, sau găuri, pe orbitali de energie mai mică. Când mulți nucleoni participă la aceste tranziții coordonate, nucleul devine puternic deformat.
Calcule teoretice detaliate au ajutat la explicarea motivului pentru care cei doi izotopi se comportă atât de diferit. În Mo-84, protonii și neutronii suferă excitații particulă-gaură simultane foarte mari. De fapt, nucleul experimentează efectiv o rearanjare de 8 particule-8 găuri. Această reorganizare extinsă produce o formă nucleară extrem de deformată. Efectul provine din interacțiunea dintre simetria proton-neutron și o îngustare a decalajului stratului la N = Z = 40. Această combinație face mai ușor pentru mulți nucleoni să sară peste decalaj în același timp. Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că aceste rezultate nu pot fi reproduse fără a ține cont de forțele cu trei nucleoni. În aceste interacțiuni, trei nucleoni se influențează simultan. Modelele care includ doar interacțiuni tradiționale cu doi nucleoni nu reușesc să producă structura observată.
Mo-86 se comportă destul de diferit. Prezintă excitații mai modeste 4p-4h și, prin urmare, rămâne mult mai puțin deformat. Luate împreună, constatările arată că Mo-84 se află în interiorul unei „Insule de Inversiune” nou identificate, în timp ce Mo-86 se află în afara acestei regiuni.
Această „Insulă de Inversiune Simetrică Isospin” nou descoperită în nucleul N = Z Mo-84 reprezintă primul exemplu cunoscut de Insulă de Inversiune într-un sistem simetric proton-neutron. Descoperirea contestă ipotezele de lungă durată despre unde se pot forma aceste regiuni nucleare neobișnuite și oferă o nouă perspectivă asupra forțelor fundamentale care țin nucleele atomice împreună.