The coexistence of possible magnetic and chiral rotation in $^{129}\mathrm{Cs}$ and $^{131}\mathrm{La}$: a microscopic investigation

Uno studio microscopico basato sulla teoria funzionale della densità covariante a cranking inclinato tridimensionale rivela che nei nuclei $^{129}\mathrm{Cs}$ e $^{131}\mathrm{La}$ coesistono rotazione magnetica e rotazione chirale sulla stessa configurazione di quasiparticelle, stabilendo un nuovo tipo di coesistenza di forme e descrivendo con successo le caratteristiche sperimentali osservate.

L'essenziale

Il Ballo dei Nuclei: Quando la Magia e la Chiralità si Incontrano

Immagina il nucleo di un atomo non come una pallina solida e noiosa, ma come una palla di danza composta da migliaia di ballerini minuscoli (protoni e neutroni) che si muovono in modo coordinato. Per decenni, gli scienziati hanno studiato come queste "palle" ruotano nello spazio.

In questo studio, i ricercatori hanno guardato due nuclei specifici: il Cesio-129 e il Lantanio-131. Hanno scoperto che in questi due "palloni da ballo", i ballerini possono eseguire due tipi di danza molto diversi, ma che possono coesistere nello stesso momento. È come se la stessa orchestra potesse suonare una marcia militare e un valzer contemporaneamente, a seconda di come si muovono i musicisti.

Ecco i due "stili di danza" scoperti:

1. La Danza Magnetica (Magnetic Rotation)

Immagina due gruppi di ballerini: i protoni (che hanno una carica elettrica) e i neutroni (che sono neutri).

• Come funziona: Invece di ruotare tutti insieme come un unico blocco (come fa una trottola classica), i protoni e i neutroni si muovono in direzioni opposte, come due lame di un paio di forbici che si chiudono.
• L'analogia: Pensa a due persone che camminano su un tapis roulant in direzioni opposte. Se si guardano e si avvicinano, creano un movimento che sembra una rotazione, ma in realtà è un "taglio" laterale.
• Il risultato: Questo movimento crea un campo magnetico molto forte. Gli scienziati lo chiamano "rotazione magnetica" perché è guidata da questo effetto "forbice" magnetico. Nel loro studio, hanno confermato che i nuclei di Cesio e Lantanio fanno proprio questo: i protoni e i neutroni si allineano come le lame di una forbice che si chiude, creando una danza magnetica.

2. La Danza Chirale (Chiral Rotation)

Ora, immagina di avere un oggetto che ha una "mano destra" e una "mano sinistra" che non sono mai sovrapponibili (come le tue mani). Questo si chiama chiralità.

• Come funziona: In certi nuclei, i protoni, i neutroni e l'asse di rotazione del nucleo stesso formano un triangolo tridimensionale. Immagina tre assi che puntano in direzioni diverse nello spazio (su-giù, destra-sinistra, avanti-indietro).
• L'analogia: Pensa a un'elica di una nave o a una vite. Puoi avvitare una vite in senso orario o antiorario. Non puoi trasformare una vite destra in una vite sinistra senza spezzarla. Nel nucleo, i ballerini possono formare una "vite" che gira in senso orario (la mano destra) o antiorario (la mano sinistra).
• Il risultato: Quando questo accade, il nucleo crea una "coppia" di stati energetici quasi identici: uno è la versione "destra" e l'altro la versione "sinistra" della stessa danza. È un fenomeno molto raro e misterioso.

La Grande Scoperta: La Coesistenza

Il punto cruciale di questo articolo è che i ricercatori hanno scoperto che entrambe queste danze possono esistere nello stesso nucleo, basandosi sugli stessi "ballerini" (gli stessi protoni e neutroni).

È come se avessi un gruppo di amici che, a seconda di come si muovono, possono formare una forbice (danza magnetica) o una vite tridimensionale (danza chirale).

• Hanno usato un supercomputer avanzato (una teoria chiamata DFT o "Teoria del Funzionale Densità Covariante") per simulare questi movimenti.
• Hanno scoperto che il Cesio-129 e il Lantanio-131 sono come dei camaleonti nucleari: possono mostrare la "forbice magnetica" a certe velocità di rotazione e la "vite chirale" a velocità diverse.

Perché è importante?

Prima di questo studio, pensavamo che queste due forme di danza fossero separate. Scoprire che possono coesistere nello stesso nucleo è come trovare un animale che può sia volare che nuotare perfettamente, usando gli stessi muscoli.

• Ci dice che la materia nucleare è molto più complessa e flessibile di quanto pensavamo.
• Ci aiuta a capire meglio come si comportano le stelle di neutroni e come si formano gli elementi nell'universo.

In Sintesi

I ricercatori hanno guardato attraverso un "microscopio matematico" due nuclei atomici e hanno visto che i loro componenti interni possono ballare in due modi magici:

1. Come una forbice che si chiude (creando magnetismo).
2. Come una vite tridimensionale (creando chiralità).

La cosa incredibile è che questi nuclei possono cambiare forma o mostrare entrambe le caratteristiche, rivelando una nuova, affascinante forma di "coesistenza" nel mondo microscopico. È una prova che anche nel mondo più piccolo e invisibile, la natura ama la diversità e la complessità.

Sommario tecnico

Titolo: La coesistenza di rotazione magnetica e chirale in $^{129}$Cs e $^{131}$La: un'indagine microscopica

1. Il Problema e il Contesto

La fisica nucleare strutturale studia da decenni i fenomeni rotazionali. Esistono tre modalità principali:

• Rotazione elettrica (collettiva): Caratterizzata da transizioni E2 forti e $\Delta I = 2$.
• Rotazione magnetica: Proposta negli anni '90, basata sul "meccanismo di taglio" (shear mechanism), con transizioni M1 forti e $\Delta I = 1$.
• Rotazione chirale: Un fenomeno proposto nel 1997, che si manifesta in nuclei con deformazione triassiale, dove tre vettori di momento angolare (protoni, neutroni e asse di rotazione collettivo) giacciono su piani diversi, generando bande quasi-degeneri.

Sebbene queste modalità siano state osservate separatamente in diverse regioni di massa, la loro coesistenza all'interno dello stesso nucleo basata sulla stessa configurazione di quasiparticelle è un fenomeno raro e complesso. In particolare, per gli isotoni $N=74$ come il Cesio-129 ($^{129}$Cs) e il Lantanio-131 ($^{131}$La), esistono evidenze sperimentali frammentarie: la rotazione magnetica è stata suggerita ma non pienamente confermata, mentre la chiralità è stata riportata in isotopi vicini. L'obiettivo di questo studio è indagare teoricamente la possibile coesistenza di queste due modalità rotazionali in questi nuclei specifici.

2. Metodologia

Gli autori hanno utilizzato la Teoria del Funzionale Densità Covariante a Cranking con Asse Inclinato Tridimensionale (3DTAC-CDFT).

• Framework Teorico: La teoria parte da un Lagrangiano relativistico, risolvendo le equazioni di Dirac-Kohn-Sham in un sistema di riferimento intrinseco che ruota con una velocità angolare costante $\vec{\omega}$.
• Autoconsistenza: La direzione dell'asse di rotazione non è fissata a priori ma è determinata autoconsistenamente minimizzando il Routhian totale. Questo permette di esplorare rotazioni non planari (fuori dai principali assi di inerzia).
• Configurazioni: Sono state analizzate diverse configurazioni di nucleoni di valenza. In particolare, si è focalizzata l'attenzione sulla configurazione $\pi h_{11/2} \otimes \nu h^{-2}_{11/2}$ (un buco di neutroni e un protone nell'orbitale $h_{11/2}$), che è alla base delle bande magnetiche osservate sperimentalmente (Banda B8 in $^{129}$Cs e Banda 13 in $^{131}$La).
• Parametri: Sono stati calcolati gli spettri energetici, le relazioni tra spin e frequenza rotazionale, i parametri di deformazione ($\beta, \gamma$), e le probabilità di transizione ridotte $B(M1)$ ed $B(E2)$, nonché i rapporti $B(M1)/B(E2)$.
• Funzionale: È stato utilizzato il funzionale di accoppiamento puntuale PC-PK1. Le correlazioni di pairing sono state trascurate per semplificare il calcolo, sebbene si riconosca il loro potenziale impatto sui valori critici.

3. Contributi Chiave e Risultati

A. Coesistenza di Deformazioni e Modalità Rotazionali
Lo studio rivela che nella stessa configurazione di quasiparticelle ($\pi h_{11/2} \otimes \nu h^{-2}_{11/2}$) possono coesistere due tipi di rotazione distinti, a seconda della configurazione specifica dei nucleoni di valenza (occupazione degli orbitali $h_{11/2}$ rispetto a $s_{1/2}/d_{3/2}$):

1. Rotazione Magnetica: Associata a configurazioni con deformazione oblate ($\gamma \approx 41^\circ - 42^\circ$) e parametri $\beta \approx 0.23 - 0.25$.
2. Rotazione Chirale: Associata a configurazioni con deformazione triassiale più vicina al caso chirale ($\gamma \approx 27^\circ - 29^\circ$) e $\beta \approx 0.20$.

B. Caratteristiche della Rotazione Magnetica

• I calcoli riproducono con eccellente accordo gli spettri energetici sperimentali per la Banda B8 ($^{129}$Cs) e la Banda 13 ($^{131}$La).
• Viene confermato il meccanismo di taglio: i vettori di momento angolare dei protoni (allineati lungo l'asse corto) e dei neutroni (allineati lungo l'asse lungo) si avvicinano progressivamente ("chiusura delle forbici") all'aumentare della frequenza rotazionale, mantenendo la direzione del momento angolare totale.
• Le transizioni $B(M1)$ sono elevate e decrescono lentamente (o rimangono stabili), mentre le transizioni $B(E2)$ sono deboli, confermando la natura magnetica di queste bande.

C. Evidenza di Rotazione Chirale

• Analizzando le configurazioni alternative (con neutroni aggiuntivi negli orbitali $s_{1/2}/d_{3/2}$), gli autori identificano una transizione dalla rotazione planare a quella chirale.
• Angoli di Orientazione: A basse frequenze, l'angolo polare $\theta$ è $90^\circ$(rotazione planare). Superata una **frequenza critica** ($\hbar\omega_{crit} \approx 0.33$MeV per$^{129}$Cs e$0.37$MeV per$^{131}$La),$\theta$assume valori finiti e l'angolo azimutale$\phi$ diventa non nullo. Questo segnala l'insorgenza di chiralità statica.
• La comparsa di un momento angolare lungo l'asse medio ($m$-axis) è il segnale distintivo della geometria chirale.

D. Evoluzione delle Modalità
Un risultato fondamentale è l'identificazione di una transizione di modalità rotazionale all'interno dello stesso nucleo al variare della frequenza:

1. Rotazione attorno all'asse principale (a bassa frequenza).
2. Transizione a rotazione planare.
3. Evoluzione finale verso la rotazione chirale (ad alte frequenze).

4. Significato e Implicazioni

• Nuovo Tipo di Coesistenza: Questo lavoro stabilisce un nuovo tipo di "coesistenza di forme" (shape coexistence), dove non solo stati con diverse deformazioni coesistono, ma anche diverse modalità di movimento rotazionale (magnetica e chirale) possono emergere dalla stessa configurazione di base.
• Conferma Sperimentale: I risultati teorici forniscono un forte supporto per identificare la Banda B8 in $^{129}$Cs e la Banda 13 in $^{131}$La come candidati solidi per la rotazione magnetica.
• Predizioni per la Chiralità: Lo studio predice l'esistenza di bande chirali in questi nuclei e suggerisce la possibile esistenza di un "doppio chirale magnetico" (M$\chi$D) in $^{129}$Cs, un fenomeno che richiede ulteriore verifica sperimentale.
• Metodologia: Dimostra l'efficacia della 3DTAC-CDFT nel descrivere fenomeni complessi di rotazione nucleare senza parametri aggiustabili, offrendo una visione microscopica dettagliata dei contributi di protoni e neutroni al momento angolare totale.

In sintesi, la ricerca chiarisce la complessa interazione tra i gradi di libertà magnetici e chirali nella regione di massa $A \approx 130$, fornendo un quadro teorico coerente che unifica osservazioni sperimentali apparentemente disparate.