Best Reaction Target To Determine Proton Distribution Radii of Atomic Nuclei

Nel cuore di ogni atomo giace un nucleo, un denso ammasso di protoni e neutroni tenuti insieme da forze potenti. Mentre i protoni portano una carica elettrica positiva e i neutroni sono neutri, entrambi i tipi di particelle non sono impacchettati in una sfera perfetta e solida. Invece, formano una nuvola sfumata con una dimensione specifica, nota come raggio. Per gli atomi stabili, gli scienziati sanno da tempo come misurare la dimensione di questa nuvola. Ma per gli isotopi instabili e a breve durata, che esistono solo per un momento fugace, misurare queste dimensioni diventa una sfida formidabile. Comprendere esattamente quanto lontano i protoni e i neutroni si estendano dal centro di questi nuclei esotici è cruciale. Questo aiuta i fisici a spiegare perché certi atomi esistano, come potrebbero comportarsi negli ambienti estremi delle stelle di neutroni e se le nostre attuali teorie sulla materia nucleare siano accurate.

Per trovare la dimensione di questi nuclei fugaci, i ricercatori spesso sparano un fascio di essi contro un bersaglio e osservano cosa succede quando collidono. Un tipo specifico di collisione, in cui la particella del fascio perde un protone o cambia la sua carica elettrica, fornisce una finestra sulla distribuzione dei protoni. Tuttavia, interpretare queste collisioni è stato complicato. Quando gli scienziati utilizzavano i modelli matematici standard per prevedere i risultati, i calcoli risultavano costantemente inferiori rispetto a quanto effettivamente osservato negli esperimenti. Per far corrispondere i numeri, i ricercatori dovevano introdurre un fattore di aggiustamento, un numero di scala che regolava la teoria per adattarla ai dati. Questo funzionava, ma si basava su ipotesi che variavano a seconda del materiale del bersaglio utilizzato, lasciando uno strato di incertezza sulle misurazioni finali del raggio protonico.

Un team di ricercatori guidato da Jun-Yao Xu e Bao-Hua Sun si è posto l'obiettivo di risolvere questo enigma testando come la scelta del materiale del bersaglio influenzi queste misurazioni. Hanno condotto una serie di esperimenti presso la Heavy Ion Research Facility a Lanzhou, in Cina. Hanno preso un fascio primario di atomi di ossigeno e lo hanno scagliato contro un bersaglio di berillio per creare una pioggia di isotopi instabili, inclusi varie forme di berillio, boro, carbonio, azzoto e ossigeno. Questi nuovi nuclei, brevi e instabili, sono stati poi sparati contro quattro bersagli diversi: idrogeno, carbonio, argento e piombo. L'energia del fascio è stata impostata a circa 240 milioni di elettronvolt per nucleone. Contando attentamente quanti nuclei passavano attraverso ciascun bersaglio senza perdere un protone rispetto a quanti cambiavano carica, il team ha misurato la sezione d'urto di variazione di carica, un valore che rappresenta la probabilità che la collisione avvenga.

Il team ha raccolto un totale di trentanove nuove misurazioni per diciotto nuclei diversi, un insieme di dati che ha permesso loro di confrontare come lo stesso nucleo si comporta colpendo bersagli leggeri rispetto a quelli pesanti. Hanno riscontrato un modello chiaro e sistematico. Quando gli nuclei instabili colpivano bersagli leggeri come l'idrogeno o il carbonio, i risultati sperimentali erano significativamente più grandi delle previsioni teoriche, richiedendo un grande fattore di scala per riconciliare i due. Man mano che passavano a bersagli più pesanti come l'argento, questo divario iniziava a chiudersi. Quando hanno usato il piombo, il bersaglio più pesante disponibile, i dati sperimentali e i calcoli teorici si allineavano quasi perfettamente. Il fattore di scala, che era stato necessario per correggere i modelli per i target leggeri, scendeva a un valore di uno, il che significa che non era necessario alcun aggiustamento.

Questa convergenza avviene a causa del modo in cui il processo di collisione cambia con la dimensione del bersaglio. Nelle collisioni con target leggeri, il nucleo instabile spesso perde prima un neutrone, lasciando dietro di sé un resto temporaneo e instabile che è desideroso di espellere un protone per ritrovare la stabilità. Questo passaggio extra, noto come evaporazione di particelle cariche, gonfia artificialmente il numero di eventi di variazione di carica, facendo apparire il nucleo più grande di quanto sia in realtà. Tuttavia, quando lo stesso nucleo collide con un bersaglio pesante come il piombo, la geometria dell'interazione cambia. La probabilità che il nucleo perda prima un neutrone diminuisce significativamente perché la collisione è più probabile che avvenga in modo da influenzare direttamente la carica o coinvolga un meccanismo diverso. Di conseguenza, i confusi passaggi extra che distorcevano le misurazioni sui target leggeri vengono soppressi. Anche le forze elettromagnetiche del pesante nucleo di piombo giocano un ruolo, ma in un modo che ostacola piuttosto che favorire l'emissione di particelle cariche, pulendo ulteriormente il segnale.

I ricercatori hanno concluso che l'utilizzo di un bersaglio pesante, specificamente il piombo, è il metodo più affidabile per determinare la distribuzione del raggio protonico degli nuclei instabili. Scegliendo il piombo, gli scienziati possono evitare la necessità di correzioni empiriche e fattori di scala che hanno complicato studi precedenti. I dati suggeriscono che il bersaglio pesante filtra naturalmente i canali di reazione che offuscano la vera dimensione della nuvola protonica. Questa scoperta offre un approccio unificato: invece di lottare per correggere le stranezze dei target leggeri, i ricercatori possono semplicemente usare il piombo per ottenere una visione diretta e incontaminata del raggio protonico. Sebbene il team si sia concentrato sui nuclei nel guscio p, un gruppo specifico di elementi leggeri, le loro scoperte suggeriscono un principio più ampio che potrebbe applicarsi anche ad altri isotopi. Saranno necessari futuri esperimenti su nuclei ancora più vicini al limite della stabilità per confermare fin dove si estende questa regola, ma la strada da seguire è ora più chiara. Il bersaglio pesante agisce come una lente precisa, rimuovendo la sfocatura delle reazioni indirette e permettendo alla vera forma del nucleo atomico di venire a fuoco.