Ground-state properties of superheavy $Z=122$ isotopes within the deformed relativistic Hartree-Bogoliubov theory in continuum

Questo studio indaga le proprietà dello stato fondamentale degli isotopi superpesanti con Z=122 utilizzando la teoria deformed relativistic Hartree-Bogoliubov nel continuo (DRHBc), determinando le linee di goccia, suggerendo i numeri magici N=184, 258 e 350, e analizzando l'evoluzione delle proprietà nucleari in funzione del numero di neutroni.

L'essenziale

Immagina l'universo degli atomi come una gigantesca città di mattoncini. Ogni edificio è un atomo, e i mattoncini che lo compongono sono i protoni e i neutroni. Per molto tempo, gli scienziati hanno costruito e studiato edifici fino a un certo numero di piani (fino all'elemento 118). Ma ora, stanno cercando di costruire grattacieli ancora più alti, nel regno degli "superpesanti", dove le regole della fisica diventano molto strane e instabili.

Questo articolo è come una mappa di navigazione per esplorare un nuovo quartiere di questa città: quello degli elementi con 122 protoni (chiamati provvisoriamente "Unbibio" o "Ubb").

Ecco cosa hanno scoperto i ricercatori, spiegato in modo semplice:

1. Il Problema: Costruire su sabbie mobili

Costruire un edificio con 122 protoni è come cercare di impilare mattoncini su una piattaforma che trema. La forza che tiene insieme i mattoncini (la forza nucleare) lotta contro la repulsione elettrica dei protoni che vogliono scappare via.
Per capire se questi "grattacieli" possono esistere e quanto sono stabili, gli scienziati usano un supercomputer e una teoria avanzata chiamata DRHBc.

• L'analogia: Immagina di dover prevedere come si comporta un castello di sabbia non solo quando è fermo, ma anche quando il vento lo spinge, quando l'acqua lo bagna e quando i mattoncini iniziano a scivolare. La teoria DRHBc è come un simulatore che tiene conto di tutti questi fattori: la forma del castello, l'acqua (le particelle libere) e i mattoncini che si tengono per mano (l'effetto di "coppia").

2. La Forma del Castello: Non sono mai perfetti

La maggior parte delle persone pensa che gli atomi siano sfere perfette, come palline da biliardo. Ma per questi giganti, la realtà è diversa.

• L'analogia: Invece di essere palline, questi atomi si comportano come palline da rugby o addirittura come dischi piatti che ruotano velocemente.
  Gli scienziati hanno scoperto che, man mano che aggiungono neutroni (i mattoncini "neutri" che aiutano a stabilizzare la struttura), l'atomo cambia forma: prima è sferico, poi diventa schiacciato (come una ciambella), poi si allunga (come un uovo), e poi torna sferico quando si avvicina a un numero "magico" di neutroni.

3. I Numeri Magici: I Piani di Sicurezza

Nella fisica nucleare, ci sono dei numeri di neutroni che agiscono come piani di sicurezza o pavimenti in cemento armato in un grattacielo. Quando un edificio raggiunge uno di questi numeri, diventa molto più stabile.

• La scoperta: Per l'elemento 122, gli scienziati hanno identificato tre "piani di sicurezza" principali dove gli atomi potrebbero essere più stabili: quando hanno 184, 258 o 350 neutroni.
  Se provi a costruire un edificio con un numero di neutroni tra questi piani, l'edificio tende a crollare o a deformarsi molto.

4. Il Confine della Terra: Le Linee di Drip

Il concetto più affascinante è la "linea di drip" (goccia). Immagina di aggiungere acqua (neutroni) a una spugna (il nucleo atomico).

• La Linea di Drip dei Protoni: È il punto in cui il nucleo è così pieno di protoni che ne espelle uno immediatamente. Per l'elemento 122, questo succede molto presto (intorno a 182 neutroni).
• La Linea di Drip dei Neutroni: È il punto in cui la spugna è così satura di neutroni che ne perde uno. Qui le cose si fanno interessanti. Gli scienziati hanno scoperto che c'è una "penisola di stabilità".
  • L'analogia: Immagina un oceano di nuclei instabili. La maggior parte affonda subito. Ma c'è un'isola (o una penisola) dove, anche se sei lontano dalla riva, alcuni nuclei riescono a galleggiare e sopravvivere un po' di più prima di "annegare" (decadere). Questo è un risultato sorprendente: anche se teoricamente dovremmo essere nell'oceano, alcuni atomi riescono a stare in piedi grazie a una struttura interna molto specifica.

5. Come hanno lavorato? (Il metodo)

Per fare tutto questo, gli scienziati hanno dovuto fare un'operazione chirurgica sui loro calcoli:

• Hanno dovuto decidere quanto "dettaglio" mettere nel loro modello (come scegliere la risoluzione di una foto). Se la foto è troppo sfocata, vedi cose sbagliate; se è troppo dettagliata, il computer esplode. Hanno trovato il punto giusto.
• Hanno controllato se la forma dell'atomo cambia se lo guardi da angolazioni diverse (se è simmetrico o no). Hanno scoperto che alcune forme "strane" che sembravano stabili in realtà erano solo illusioni ottiche dei calcoli, e le hanno scartate.

In sintesi

Questo studio è come aver disegnato la mappa del tesoro per gli esploratori nucleari. Ci dice:

1. Dove cercare gli elementi 122 più stabili (vicino ai numeri magici 184, 258, 350).
2. Che forma avranno (spesso schiacciati o allungati, non rotondi).
3. Fino a dove possiamo spingerci prima che l'atomo si disintegri immediatamente (le linee di drip).

È un passo fondamentale verso la risposta alla domanda: "Esiste un'isola di stabilità dove gli elementi superpesanti possono vivere a lungo?" E la risposta sembra essere: "Sì, ma devi sapere esattamente dove mettere i mattoncini e come piegarli!"

Sommario tecnico

Titolo: Proprietà dello stato fondamentale degli isotopi superpesanti Z = 122 nella teoria di Hartree-Bogoliubov relativistica deformato nel continuo (DRHBc)

1. Problema e Contesto

La sintesi di nuovi elementi superpesanti rappresenta una delle frontiere più importanti della fisica nucleare, fondamentale per comprendere i limiti della carta dei nuclidi e la stabilità della materia nucleare. Sebbene siano stati sintetizzati elementi fino al numero atomico $Z=118$, la creazione di elementi più pesanti, in particolare nella regione $Z=119-122$, rimane una sfida sperimentale irrisolta.
Il problema centrale di questo studio è la previsione teorica delle proprietà dello stato fondamentale per la catena isotopica dell'elemento con $Z=122$ (temporaneamente denominato "Unbibium" o "Ubb"). A causa della scarsità di dati sperimentali in questa regione, è cruciale affidarsi a modelli teorici robusti che possano estrapolare con precisione le proprietà nucleari, tenendo conto di effetti complessi come le correlazioni di pairing, gli effetti del continuo (per nuclei debolmente legati) e le deformazioni nucleari.

2. Metodologia

Gli autori utilizzano la Teoria di Hartree-Bogoliubov Relativistica Deformato nel Continuo (DRHBc), un modello auto-coerente che integra:

• Relatività: Basata sulla teoria del funzionale di densità covariante (CDFT).
• Deformazione: Considera esplicitamente le deformazioni assiali e di riflessione.
• Continuo: Gestisce correttamente i nuclei vicini ai drip-line (linee di goccia) dove i nucleoni possono essere debolmente legati.
• Pairing: Include le correlazioni di pairing nucleone-nucleone.

Dettagli numerici e strategie:

• Funzionale di Densità: È stato utilizzato il funzionale PC-PK1.
• Base di Calcolo: Base di Woods-Saxon Dirac (DWS) in una scatola di $R_{box} = 20$ fm.
• Taglio di Momento Angolare ($J_{max}$): È stato verificato che un taglio di $J_{max} = 31/2 \hbar$ è sufficiente per nuclei con $Z=122-136$.
• Verifica dello Stato Fondamentale: Per determinare lo stato fondamentale corretto, gli autori hanno analizzato le curve di energia potenziale (PEC) variando il taglio di momento angolare e confrontando i risultati con calcoli che rompono le simmetrie (deformazione triassiale e ottupolare) utilizzando la teoria MDC-CDFT (Multi-Dimensionally Constrained CDFT).
• Confronto: I risultati DRHBc sono stati confrontati con quelli ottenuti dalla teoria RCHB (Relativistic Continuum Hartree-Bogoliubov) sferica, per isolare l'effetto delle deformazioni.

3. Contributi Chiave e Risultati

A. Strategia per la Determinazione dello Stato Fondamentale
Lo studio ha sviluppato una strategia per identificare lo stato fondamentale in presenza di minimi multipli nelle curve di energia potenziale.

• È stato dimostrato che minimi a grandi deformazioni prolate ($\beta_2 > 0.5$) possono essere instabili o artefatti numerici quando si aumenta il taglio di momento angolare.
• L'inclusione della deformazione ottupolare elimina i minimi prolate molto grandi, mentre la deformazione triassiale abbassa solo le barriere interne senza eliminare i minimi esistenti.
• Conclusione: Per $Z=122$, lo stato fondamentale è spesso associato a una grande deformazione oblate ($\beta_2 \sim -0.45$) piuttosto che a forme sferiche o prolate, una scoperta che supera le identificazioni precedenti basate solo su piccole deformazioni.

B. Proprietà di Massa e Stabilità (Drip Lines)

• Energia di Legame: I nuclei calcolati mostrano un massimo locale nell'energia di legame per nucleone intorno a $N \approx 180$. I risultati DRHBc mostrano generalmente un'energia di legame superiore rispetto al modello sferico RCHB a causa dell'energia di deformazione.
• Drip Line dei Protoni:
  • DRHBc: L'isotopo $^{304}\text{Ubb}$ ($N=182$) è l'ultimo nucleo legato; gli isotopi con $N \le 181$ sono instabili.
  • RCHB: Predice un drip line leggermente più interno ($N=181$).
• Drip Line dei Neutroni:
  • DRHBc: Identifica il drip line a $^{442}\text{Ubb}$ ($N=320$). Tuttavia, viene osservato un fenomeno di "penisola di stabilità" dove nuclei con $N$ tra 321 e 340, pur avendo energie di Fermi positive, rimangono legati grazie a energie di separazione positiva.
  • RCHB: Predice un drip line molto più esterno ($N=350$), suggerendo che il trattamento coerente di deformazione e continuo è cruciale per la previsione della stabilità neutronica.

C. Numeri Magici e Struttura a Guscio
L'analisi delle energie di Fermi, delle energie di separazione ($S_{2n}$, $S_n$) e dei gap di pairing conferma la presenza di numeri magici neutronici:

• $N = 184, 258, 350$: Questi numeri mostrano chiari salti nelle energie di Fermi, cadute nelle energie di separazione e crolli del gap di pairing, indicando chiusure di guscio.
• Il gap a $N=184$ diminuisce con l'aumentare di $N$ a causa di orbitali intrusi ($1j_{13/2}$), mentre il gap a $N=258$ è robusto ma svanisce vicino al drip line.
• Per i protoni, il gap a $Z=120$ rimane costante, mentre non si osserva un gap significativo a $Z=126$ in questa catena.

D. Evoluzione delle Proprietà Nucleari

• Deformazione ($\beta_2$): Si osserva un ciclo evolutivo tra i numeri magici: forme sferiche vicino ai numeri magici, seguite da una rapida transizione a grandi deformazioni oblate, poi a deformazioni prolate moderate, e infine un ritorno alla sfericità.
• Raggi: I raggi di carica ($R_{ch}$) e neutronici ($R_n$) calcolati con DRHBc sono generalmente più grandi rispetto a RCHB, specialmente per nuclei con grandi deformazioni oblate, a causa di specifiche strutture a guscio vicino alla superficie di Fermi.
• Pairing: Il gap di pairing neutronico ($\Delta_n$) crolla a zero ai numeri magici. Il gap di pairing protonico ($\Delta_p$) mostra un comportamento inverso rispetto a quello neutronico, collassando nelle regioni di grande deformazione oblate.

4. Significato e Implicazioni

Questo lavoro rappresenta un passo avanti significativo nella modellazione teorica della regione superpesante:

1. Validazione del Modello DRHBc: Conferma la superiorità del modello DRHBc rispetto ai modelli sferici (RCHB) nel descrivere nuclei lontani dalla stabilità, dove deformazione e effetti di continuo sono dominanti.
2. Guida Sperimentale: La previsione delle drip lines ($N=182$ per protoni, $N=320$ per neutroni) e dei numeri magici ($N=184, 258, 350$) fornisce target precisi per i futuri esperimenti di sintesi di elementi superpesanti.
3. Complessità Strutturale: Dimostra che lo stato fondamentale degli isotopi $Z=122$ non è semplicemente sferico, ma è caratterizzato da complesse transizioni di forma (in particolare grandi deformazioni oblate), sfidando le semplificazioni precedenti.
4. Penisola di Stabilità: L'identificazione di una "penisola di stabilità" per neutroni oltre il drip line teorico suggerisce che la mappa della stabilità nucleare potrebbe essere più estesa di quanto previsto dai modelli sferici.

In sintesi, lo studio fornisce una mappa dettagliata e auto-coerente delle proprietà nucleari per $Z=122$, sottolineando l'importanza critica di includere deformazioni triassiali, ottupolari e effetti di continuo per prevedere correttamente i limiti della materia nucleare.