B$_{4/2}$ anomaly related to the shape coexistence in $^{94}$Zr

En el corazón de cada átomo se encuentra un núcleo, un cúmulo denso de protones y neutrones que se comporta menos como una canica rígida y más como una gota de líquido. En el mundo de la física nuclear, estas gotas pueden cambiar su forma. A veces son perfectamente redondas, como una esfera. Otras veces, se estiran hasta convertirse en un óvalo, asemejándose a un balón de rugby, o se aplanan hasta formar un disco. Durante décadas, los físicos han construido modelos matemáticos para predecir cómo estos núcleos vibran y rotan, esperando que el núcleo se asiente en una forma estable o transicione suavemente entre ellas. Sin embargo, la naturaleza a menudo nos sorprende con excepciones que desafían estas pulcras expectativas. Uno de estos enigmas involucra una medición específica de cómo el núcleo emite energía, un valor que a veces cae a un número sorprendentemente bajo, rompiendo los patrones que las teorías estándar predicen. Esta anomalía, conocida como la anomalía B4/2, ha aparecido en un puñado de núcleos, dejando a los científicos preguntándose qué complejidad oculta está impulsando este comportamiento.

Un estudio reciente se centró en el núcleo del Zirconio-94, un isótopo que exhibe este extraño comportamiento, para descubrir la fuente del misterio. Los investigadores, trabajando desde instituciones de Rumania y Marruecos, recurrieron a un marco sofisticado conocido como el modelo de Bohr-Mottelson, que trata al núcleo como un sistema colectivo de partes en movimiento. En lugar de utilizar un potencial simple y suave para describir las fuerzas que mantienen unido al núcleo, emplearon un potencial de sexto orden más complejo. Esta herramienta matemática les permitió explorar una gama más amplia de posibilidades, buscando específicamente escenarios donde el núcleo podría no solo vibrar en una forma, sino realmente albergar dos o más formas distintas al mismo tiempo. Este fenómeno, llamado coexistencia de formas, sugiere que un solo núcleo puede soportar simultáneamente una configuración esférica y una deformada, con las diferentes formas mezclándose para crear los niveles de energía observados.

El equipo aplicó su modelo a los estados de menor energía del Zirconio-94, comparando sus cálculos con los datos experimentales más recientes disponibles. Encontraron que una descripción única y simple del núcleo era insuficiente para explicar el panorama completo. En su lugar, los datos apuntaban hacia un escenario de coexistencia de triple forma. El estado de menor energía, el estado fundamental, se comporta como una esfera casi perfecta. Sin embargo, el primer estado excitado con un espín de cuatro, un tipo específico de momento angular, pertenece claramente a una familia diferente: tiene forma de un óvalo axialmente simétrico y estirado. La transición de energía entre estos dos estados específicos es lo que crea la anomalía. Debido a que el núcleo tiene que saltar de una forma esférica a una forma de óvalo estirado, la probabilidad de esta transición se ve significativamente suprimida, lo que resulta en el valor inusualmente bajo que desconcertó a los científicos durante años.

Sin embargo, la historia no terminó ahí. Cuando los investigadores examinaron otros estados excitados, específicamente aquellos con cero y dos unidades de espín, la imagen cambió de nuevo. Estos estados no encajaban en el simple modelo de óvalo. En su lugar, se comportaban como si el núcleo fuera dinámicamente inestable, fluctuando de una manera que sugiere una deformación triaxial, donde la forma no es ni una esfera perfecta ni un simple óvalo, sino algo más complejo que se tambalea en tres dimensiones. El estudio reveló que el segundo estado excitado de espín cero y el segundo estado excitado de espín dos están dominados por este carácter triaxial, aunque todavía conservan una pequeña mezcla de la forma esférica. Esta mezcla es crucial, ya que explica por qué ciertas transiciones de energía entre estos estados son tan débiles, coincidiendo con las observaciones experimentales que un modelo de una sola forma no pudo explicar.

Los investigadores concluyeron que la clave para entender el Zirconio-94 no es elegir entre una forma esférica, una ovalada o una triaxial, sino reconocer que las tres existen dentro del mismo núcleo. La anomalía en la transición de energía es el resultado directo de que el núcleo cambie entre el estado fundamental esférico y el cuarto estado con forma de óvalo, separados por una barrera de energía significativa que hace que el salto sea difícil. Mientras tanto, los otros estados danzan al ritmo de un compás triaxial. Esta triple coexistencia proporciona una explicación completa para los niveles de energía y la fuerza de las transiciones electromagnéticas observadas en el laboratorio. Si bien el modelo actual reproduce con éxito la mayor parte de los datos, los investigadores señalaron que algunas transiciones siguen siendo difíciles de describir perfectamente, lo que sugiere que podría ser necesario un modelo futuro, aún más general, para tratar las tres configuraciones de forma equitativa. Por ahora, sin embargo, el estudio ofrece una explicación clara y convincente para un enigma nuclear de larga data, mostrando que el interior de un átomo puede ser mucho más versátil y complejo de lo que se imaginaba anteriormente.