Οι φυσικοί ανακάλυψαν μια κρυμμένη «Νησίδα Αναστροφής» (Island of Inversion) στο μολυβδαίνιο-84, αποκαλύπτοντας ότι ακόμη και οι απόλυτα ισορροπημένοι πυρήνες μπορούν ξαφνικά να παραμορφωθούν σε εξωτικά σχήματα.
Για πολλά χρόνια, οι πυρηνικοί φυσικοί πίστευαν ότι οι “Νησίδες Αναστροφής” εντοπίζονταν κυρίως σε ισότοπα με υπερβολικό αριθμό νετρονίων.
Αυτές οι ασυνήθιστες περιοχές του πυρηνικού χάρτη είναι σημεία όπου η κανονική δομή των ατομικών πυρήνων σταματά ξαφνικά να ακολουθεί τους αναμενόμενους κανόνες.
Σε αυτές τις περιπτώσεις, οι πασίγνωστοι “μαγικοί αριθμοί” εξαφανίζονται, τα σφαιρικά πυρηνικά σχήματα καταρρέουν και ο πυρήνας μπορεί να μεταβεί σε μια έντονα παραμορφωμένη μορφή.
Μέχρι τώρα, κάθε γνωστό παράδειγμα εμφανιζόταν σε πολύ ασταθείς, πλούσιους σε νετρόνια πυρήνες. Παραδείγματα αποτελούν το βηρύλλιο-12 (N = 8), το μαγνήσιο-32 (N = 20) και το χρώμιο-64 (N = 40). Όλα αυτά βρίσκονται πολύ μακριά από τα σταθερά στοιχεία που συναντώνται συνήθως στη φύση.
Επιστήμονες ανακαλύπτουν μια αναπάντεχη “Πυρηνική Νησίδα”
Μια νέα μελέτη από μια διεθνή ερευνητική ομάδα αποκάλυψε κάτι απρόσμενο. Επιστήμονες από το Κέντρο Εξωτικών Πυρηνικών Μελετών (Center for Exotic Nuclear Studies), το Ινστιτούτο Βασικών Επιστημών (IBS), το Πανεπιστήμιο της Πάντοβα, το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, το Πανεπιστήμιο του Στρασβούργου και αρκετά άλλα ιδρύματα, εντόπισαν μια Νησίδα Αναστροφής σε ένα σημείο που κανείς δεν προέβλεπε.
Αντί να εμφανίζεται σε πυρήνες με μεγάλο αριθμό νετρονίων, η περιοχή που ανακαλύφθηκε πρόσφατα υπάρχει σε ένα από τα πιο συμμετρικά τμήματα του πυρηνικού χάρτη.
Σε αυτή την περιοχή, ο αριθμός των πρωτονίων και των νετρονίων είναι ίσος. Θέλετε να εξηγήσουμε γιατί η συμμετρία στον αριθμό πρωτονίων και νετρονίων καθιστά αυτή την ανακάλυψη τόσο ανατρεπτική για τη φυσική;
Μελέτη σπάνιων ισοτόπων του Μολυβδαινίου
Οι ερευνητές εστίασαν σε δύο ισότοπα του μολυβδαινίου: το μολυβδαίνιο-84 (Z = N = 42) και το μολυβδαίνιο-86 (Z = 42, N = 44). Και τα δύο βρίσκονται κατά μήκος της γραμμής N = Z, η οποία είναι ιδιαίτερα σημαντική στην πυρηνική φυσική.
Ωστόσο, αυτά τα ισότοπα είναι εξαιρετικά δύσκολο να μελετηθούν, καθώς η δημιουργία τους σε εργαστηριακά πειράματα αποτελεί μεγάλη πρόκληση. Θέλετε να εξηγήσουμε τη σημασία της γραμμής N = Z ή γιατί είναι τόσο δύσκολη η εργαστηριακή παραγωγή αυτών των σπάνιων ισοτόπων;
Χρησιμοποιώντας δέσμες σπάνιων ισοτόπων στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν και εξαιρετικά ευαίσθητους ανιχνευτές ακτίνων γάμμα, η ομάδα μέτρησε τους χρόνους ζωής διεγερμένων πυρηνικών καταστάσεων με ακρίβεια της τάξης των picoseconds (τρισεκατομμυριοστών του δευτερολέπτου).
Για τη δημιουργία της απαιτούμενης δέσμης, οι επιστήμονες επιτάχυναν ιόντα Μολυβδαινίου-92 και τα προσέκρουσαν σε στόχο βηρυλλίου, παράγοντας ταχέως κινούμενους πυρήνες Μολυβδαινίου-86.
Ένας διαχωριστής A1900 χρησιμοποιήθηκε για την απομόνωση των επιθυμητών θραυσμάτων από τα πολυάριθμα σωματίδια που παρήχθησαν κατά τη σύγκρουση. Στη συνέχεια, η δέσμη Μολυβδαινίου-86 κατευθύνθηκε σε έναν δεύτερο στόχο. Κατά τη διάρκεια αυτού του σταδίου, ορισμένοι πυρήνες διεγέρθηκαν, ενώ άλλοι έχασαν δύο νετρόνια και μετασχηματίστηκαν σε Μολυβδαίνιο-84.
Καθώς αυτοί οι πυρήνες επέστρεφαν στις καταστάσεις χαμηλότερης ενέργειας, εξέπεμπαν ακτίνες γάμμα, οι οποίες παρείχαν στοιχεία για την εσωτερική τους δομή.
Οι μετρήσεις ακτίνων γάμμα αποκαλύπτουν την πυρηνική δομή
Οι εκπεμπόμενες ακτίνες γάμμα ανιχνεύθηκαν με το GRETINA, μια διάταξη ανιχνευτών γερμανίου υψηλής ανάλυσης, ικανή να παρακολουθεί μεμονωμένες αλληλεπιδράσεις ακτίνων γάμμα.
Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν επίσης το TRIPLEX, ένα όργανο σχεδιασμένο να μετρά εξαιρετικά σύντομους χρόνους ζωής, που διαρκούν μόλις τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου.
Οι ερευνητές συνέκριναν τις μετρήσεις με προσομοιώσεις Monte Carlo GEANT4.
Αυτό τους επέτρεψε να προσδιορίσουν τους χρόνους ζωής των πρώτων διεγερμένων πυρηνικών καταστάσεων και να εκτιμήσουν τον βαθμό παραμόρφωσης των πυρήνων από το σφαιρικό σχήμα.
Δραματική διαφορά μεταξύ Μολυβδαινίου-84 και Μολυβδαινίου-86
Τα αποτελέσματα έδειξαν μια εντυπωσιακή αντίθεση μεταξύ των δύο ισοτόπων. Παρόλο που το Μολυβδαίνιο-84 και το Μολυβδαίνιο-86 διαφέρουν μόνο κατά δύο νετρόνια, η συμπεριφορά τους είναι πολύ διαφορετική.
Το Μολυβδαίνιο-84 παρουσιάζει μια ασυνήθιστα μεγάλη συλλογική κίνηση. Αυτό σημαίνει ότι πολλά πρωτόνια και νετρόνια κινούνται μαζί υπερπηδώντας ένα σημαντικό ενεργειακό χάσμα μεταξύ των φλοιών (shell gap).
Οι πυρηνικοί φυσικοί περιγράφουν αυτό το φαινόμενο ως «διέγερση σωματιδίου-οπής» (particle-hole excitation). Σε αυτή τη διαδικασία, ορισμένα νουκλεόνια μεταπηδούν σε τροχιακά υψηλότερης ενέργειας, γινόμενα «σωματίδια», αφήνοντας πίσω τους κενά διαστήματα, ή «οπές», σε τροχιακά χαμηλότερης ενέργειας.
Όταν πολλά νουκλεόνια συμμετέχουν σε αυτές τις συντονισμένες μεταβάσεις, ο πυρήνας παραμορφώνεται ισχυρά.
Διεγέρσεις σωματιδίου-οπής και πυρηνική παραμόρφωση
Λεπτομερείς θεωρητικοί υπολογισμοί βοήθησαν να εξηγηθεί γιατί τα δύο ισότοπα συμπεριφέρονται τόσο διαφορετικά. Στο Μολυβδαίνιο-84, πρωτόνια και νετρόνια υφίστανται ταυτόχρονα πολύ μεγάλες διεγέρσεις σωματιδίου-οπής. Στην πραγματικότητα, ο πυρήνας βιώνει μια αναδιάταξη 8 σωματιδίων-8 οπών. Αυτή η εκτεταμένη αναδιοργάνωση παράγει ένα εξαιρετικά παραμορφωμένο πυρηνικό σχήμα.
Το φαινόμενο προκύπτει από την αλληλεπίδραση μεταξύ της συμμετρίας πρωτονίων-νετρονίων και της στένωσης του χάσματος των φλοιών στο N = Z = 40. Αυτός ο συνδυασμός διευκολύνει πολλά νουκλεόνια να υπερπηδήσουν το χάσμα ταυτόχρονα.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν επίσης ότι αυτά τα αποτελέσματα δεν μπορούν να αναπαραχθούν χωρίς να ληφθούν υπόψη οι δυνάμεις τριών νουκλεονίων. Σε αυτές τις αλληλεπιδράσεις, τρία νουκλεόνια επηρεάζουν το ένα το άλλο ταυτόχρονα. Τα μοντέλα που περιλαμβάνουν μόνο τις παραδοσιακές αλληλεπιδράσεις δύο νουκλεονίων αποτυγχάνουν να παραγάγουν την παρατηρούμενη δομή.
Ένας νέος τύπος «Νησίδας Αναστροφής»
Το Μολυβδαίνιο-86 συμπεριφέρεται αρκετά διαφορετικά. Παρουσιάζει πιο περιορισμένες διεγέρσεις 4p-4h (4 σωματιδίων-4 οπών) και ως εκ τούτου παραμένει πολύ λιγότερο παραμορφωμένο.
Συνολικά, τα ευρήματα δείχνουν ότι το Μολυβδαίνιο-84 βρίσκεται εντός μιας πρόσφατα αναγνωρισμένης “Νησίδας Αναστροφής”, ενώ το Μολυβδαίνιο-86 βρίσκεται εκτός αυτής της περιοχής.
Αυτή η νεοανακαλυφθείσα “Ισοσπινικά Συμμετρική Νησίδα Αναστροφής” στον πυρήνα N = Z του Μολυβδαινίου-84 αποτελεί το πρώτο γνωστό παράδειγμα Νησίδας Αναστροφής σε ένα συμμετρικό σύστημα πρωτονίων-νετρονίων.
Η ανακάλυψη αμφισβητεί μακροχρόνιες παραδοχές σχετικά με το πού μπορούν να σχηματιστούν αυτές οι ασυνήθιστες πυρηνικές περιοχές και προσφέρει νέα γνώση για τις θεμελιώδεις δυνάμεις που συγκρατούν τους ατομικούς πυρήνες.
