Probing the Size of Neutron and Proton Single-Particle Orbitals from Nucleon Knockout Reactions
Questo studio investiga le dimensioni spaziali degli orbitali a particella singola di neutroni e protoni negli isotopi di calcio e scandio mediante reazioni di knockout nucleone a 230 MeV/nucleone, rivelando che gli orbitali neutronici 1p sono costantemente 0,48–0,78 fm più grandi degli orbitali 0f7/2, mentre l'evoluzione delle dimensioni degli orbitali protonici di valenza rimane inconcludente a causa delle incertezze statistiche.
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Gli atomi sono costruiti attorno a un nucleo denso, che è composto da protoni e neutroni. Per decenni, i fisici hanno saputo che queste minuscole particelle non stanno ferme; esse si muovono in regioni specifiche o "orbitali" attorno al centro, molto simile a come i pianeti orbitano attorno a una stella, sebbene le regole che governano il loro movimento siano molto più complesse. Comprendere la dimensione di questi orbitali è fondamentale perché la disposizione di protoni e neutroni determina la stabilità e il comportamento di ogni elemento dell'universo. Sebbene gli scienziati siano da tempo in grado di misurare con grande precisione la dimensione complessiva di un nucleo, determinare la dimensione esatta dei singoli orbitali per i soli neutroni o per i soli protoni è rimasto una sfida difficile, specialmente per gli atomi instabili e a vita breve che non si trovano in natura.
Un team di ricercatori ha affrontato recentemente questo problema studiando una specifica famiglia di atomi di calcio, alcuni dei quali pesanti e instabili. Volevano vedere come cambia lo spazio occupato da un singolo neutrone o protone man mano che vengono aggiunti più neutroni al nucleo. Per farlo, hanno utilizzato una tecnica chiamata "nucleon knockout" (espulsione di nucleoni), che è essenzialmente un esperimento di collisione ad alta velocità. Hanno sparato un fascio di questi atomi di calcio contro un bersaglio fatto di idrogeno liquido. Quando un atomo di calcio in rapido movimento colpiva un protone di idrogeno, l'impatto era abbastanza forte da espellere un singolo neutrone o protone dal nucleo di calcio. Misurando attentamente la velocità e la direzione del frammento rimanente dell'atomo dopo la collisione, gli scienziati potevano ricostruire a ritroso quanto lontano quella particella espulsa stesse viaggiando prima di essere colpita. Questo metodo ha permesso loro di mappare la dimensione spaziale dell'orbitale specifico da cui la particella proveniva.
I ricercatori si sono concentrati su isotopi del calcio con numeri di massa 52, 53 e 54, che contengono più neutroni rispetto al calcio stabile che si trova nella vita quotidiana. Hanno esaminato due scenari principali: l'espulsione di un neutrone e l'espulsione di un protone. Quando hanno analizzato i dati per i neutroni, hanno trovato un modello chiaro e coerente. I neutroni che vivono negli orbitali esterni, o "di valenza", erano significativamente più grandi di quelli negli orbitali interni del nucleo. Nello specifico, i neutroni esterni sono risultati tra 0,48 e 0,78 femtometri più grandi di quelli interni. Un femtometro è un'unità di distanza incredibilmente piccola, uguale a un milionesimo di miliardo di metro (un quadrilioneesimo di metro), ma nel mondo dei nuclei atomici, questa differenza è sostanziale. Questa scoperta conferma un'idea teorica secondo cui, man mano che si riempiono questi gusci neutronici esterni, essi spingono l'intero nucleo a gonfiarsi leggermente, espandendo lo spazio disponibile per tutte le particelle all'interno.
I risultati per i protoni sono stati meno definitivi. Il team ha misurato la dimensione degli orbitali protonici negli stessi atomi di calcio, ma i dati erano molto più rumorosi. Poiché la reazione che espelle un protone avviene con meno frequenza rispetto a quella per i neutroni, i ricercatori avevano meno eventi da analizzare, portando a maggiori incertezze statistiche. Sebbene i dati suggerissero che anche gli orbitali protonici potrebbero diventare leggermente più grandi con l'aggiunta di neutroni, l'evidenza non era abbastanza forte da trarre una conclusione ferma. Le misurazioni erano coerenti con l'idea di un'espansione, ma il margine di errore era troppo ampio per affermare con certezza quanto i protoni si fossero spostati. Ciò evidenzia un limite dell'attuale esperimento: il metodo funziona molto bene per i neutroni, ma richiede apparecchiature più precise e più dati per essere altrettanto affidabile per i protoni.
Per garantire l'accuratezza delle loro misurazioni, il team ha confrontato i propri risultati sperimentali con simulazioni informatiche avanzate basate sulle leggi fondamentali della fisica. Queste simulazioni, che utilizzavano diversi approcci matematici per modellare le forze tra le particelle, prevedevano la stessa grande differenza di dimensione tra gli orbitali neutronici interni e quelli esterni osservata dall'esperimento. Questo accordo tra i dati del mondo reale e i modelli teorici conferisce agli scienziati la fiducia che stiano comprendendo correttamente come si comportano questi gusci nucleari. Lo studio ha anche rivisitato misurazioni precedenti di atomi di calcio stabili per vedere come gli orbitali cambiassero mentre il nucleo cresceva dalla sua forma stabile a queste versioni più pesanti e instabili. I dati suggerivano una tendenza per cui gli orbitali protonici si espandono man mano che il nucleo diventa più pesante, ma ancora una volta, l'incertezza nelle nuove misurazioni significava che tale tendenza non poteva essere confermata con alta precisione.
Il lavoro rappresenta un passo avanti significativo nella mappatura della struttura interna dei nuclei atomici. Avendo misurato con successo la dimensione di specifici orbitali neutronici in isotopi instabili, i ricercatori hanno fornito un nuovo strumento per testare la nostra comprensione delle forze nucleari. La chiara differenza riscontrata tra i gusci neutronici interni e quelli esterni aiuta a spiegare perché la dimensione complessiva dei nuclei di calcio aumenti così bruscamente dopo che viene raggiunto un certo numero di neutroni. Tuttavia, lo studio indica anche dove è necessario ulteriore lavoro. Per comprendere appieno il comportamento dei protoni in questi nuclei pesanti, i futi esperimenti dovranno migliorare la capacità di rilevare gli eventi rari di espulsione dei protoni con maggiore precisione. Fino ad allora, il quadro di come protoni e neutroni condividano lo spazio all'interno degli atomi di calcio più pesanti rimane parzialmente incompleto, in attesa che la prossima generazione di esperimenti colmi le lacune.
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