Independent Validation of Octupole Collectivity in radium-224 through lifetime measurements of low-lying negative-parity states

Al cuore della materia risiede il nucleo atomico, un denso ammasso di protoni e neutroni che solitamente mantiene una forma perfettamente rotonda o leggermente schiacciata. Tuttavia, alcuni nuclei pesanti sono diversi; non si limitano a gonfiarsi o appiattirsi, ma si allungano in una forma che manca di un piano di riflessione, somigliando a una pera. Questa forma insolita, nota come deformazione ottupolare, sorge quando i componenti strutturali interni del nucleo si allineano in un modo specifico che rompe la consueta simmetria. Gli scienziati sono profondamente interessati a questi nuclei a forma di pera perché agiscono come potenti amplificatori per rari effetti fisici. Se le leggi fondamentali della natura trattano la simmetria temporale e quella di riflessione in modo differente, questi nuclei distorti rivelerebbero tali violazioni più chiaramente di qualsiasi altro oggetto. Per comprendere questo, i ricercatori devono prima mappare il nucleo con estrema precisione, misurando come esso vibri e come siano distribuiti le sue cariche interne, per separare il comportamento atteso dai segnali sottili di nuova fisica.

In uno studio recente, un team di fisici ha rivolto la propria attenzione al radio-224, un nucleo che è da tempo considerato un esempio primario di questo comportamento a forma di pera. Esperimenti precedenti avevano già dimostrato che il radio-224 possiede una forte deformazione ottupolare, confermando che esso possiede effettivamente questa forma asimmetrica. Tuttavia, rimaneva una domanda sospesa sulle proprietà elettriche interne del nucleo. La teoria prevedeva che, sebbene il nucleo sia a forma di pera, il suo momento di dipolo elettrico intrinseco — una misura di come le sue cariche positive e negative siano separate — dovrebbe essere sorprendentemente debole. Questa debolezza era prevista perché si pensava che due grandi forze opposte all'interno del nucleo si annullassero quasi perfettamente l'una con l'altra. Per testare questo, i ricercatori dovevano misurare quanto a lungo esistessero stati eccitati specifici del nucleo prima di decadere, un processo che rivela l'intensità delle transizioni elettriche tra i livelli di energia.

L'esperimento si è svolto presso il TRIUMF, il centro di accelerazione di particelle del Canada, dove è stato creato un fascio di francio-224 radioattivo ed è stato indirizzato verso un array di rilevamento specializzato chiamato GRIFFIN. Mentre gli atomi instabili di francio decadevano, si trasformavano in radio-224, popolando stati eccitati specifici all'interno del nuovo nucleo. I ricercatori si sono concentrati su due stati a bassa energia con parità negativa, che sono direttamente collegati alla vibrazione a forma di pera del nucleo. Utilizzando un insieme di rilevatori altamente sensibili fatti di cristalli di bromuro di lantanio, il team ha misurato il tempo impiegato da questi stati per emettere raggi gamma e scendere a livelli di energia inferiori. Questa tecnica, nota come fast-timing, ha permesso loro di determinare la durata media di questi stati con straordinaria precisiona. Hanno scoperto che il primo stato a parità negativa viveva per 444 picosecondi, mentre il secondo per 460 picosecondi. Questi numeri sono incredibilmente piccoli, rappresentano i trilionesimi di un secondo, eppure hanno fornito la chiave per sbloccare i segreti elettromagnetici del nucleo.

Con in mano questi tempi precisi, il team ha calcolato le probabilità di transizione ridotte, che descrivono la facilità con cui il nucleo può cambiare la sua forma ed emettere energia. I risultati corrispondevano ai valori inferiti da esperimenti precedenti più complessi che coinvolgevano lo scattering di ioni pesanti, ma con un'accuratezza significativamente migliore. Questa conferma indipendente era cruciale perché ha convalidato gli elementi di matrice elettromagnetica che descrivono la struttura del nucleo. Più importante ancora, i dati hanno confermato la previsione teorica che il momento di dipolo elettrico intrinseco del radio-224 sia fortemente soppresso. Il valore calcolato per questo momento era di circa 0,032 elettroni-femtometri, un numero minuscolo rispetto a quanto ci si potrebbe aspettare per un nucleo così distorto. Questo piccolo valore deriva dal fatto che la forma macroscopica del nucleo e la disposizione microscopica dei suoi protoni e neutroni lavorano l'uno contro l'altro, quasi annullando la separazione elettrica che solitamente accompagna una forma a pera.

I risultati fungono da rigoroso parametro di riferimento per i modelli che gli scienziati usano per descrivere la struttura nucleare. Sebbene alcuni calcoli teorici potessero riprodurre la forma generale e i livelli di energia del radio-224, essi non riuscivano a prevedere l'estrema debolezza del momento di dipolo elettrico, spesso sovrastimandone l'intensità per fattori elevati. Le nuove misurazioni mostrano che riprodurre i livelli di energia da soli non è sufficiente; un modello di successo deve anche tenere conto della delicata cancellazione tra i diversi contributi interni. Questo livello di dettaglio è essenziale per le future ricerche di momenti di dipolo elettrico permanenti, che potrebbero rivelare nuova fisica oltre il modello standard. Dimostrando che il momento di dipolo elettrico nel radio-224 è effettivamente attenuato, lo studio assicura che le future ricerche alla ricerca di violazioni della simmetria di inversione temporale siano costruite su una base solida e verificata sperimentalmente. Il lavoro dimostra che anche in un campo in cui sono necessarie strutture uniche e isotopi rari, la verifica indipendente rimane il gold standard per stabilire l'affidabilità della conoscenza scientifica.