Development of the {\gamma} strength function with the neutron number

Nel cuore di ogni atomo, protoni e neutroni si aggrappano l'uno all'altro in una folla densa e caotica. Quando questi nuclei atomici vengono eccitati, forse da una collisione o da un decadimento radioattivo, non rimangono semplicemente fermi; emettono la loro energia in eccesso sotto forma di lampi di luce, specificamente raggi gamma. Gli scienziati studiano da tempo come i nuclei assorbano tale luce, un processo dominato da una massiccia vibrazione collettiva nota come risonanza di dipolo gigante, in cui protoni e neutroni oscillano avanti e indietro l'uno contro l'altro come due fluidi opposti. Tuttavia, il processo inverso — come un nucleo rilascia energia mentre si raffredda da uno stato ad alta energia — è rimasto un mistero più elusivo. Per decenni, un'idea prevalente suggeriva che il modo in cui un nucleo emette luce dovesse dipendere solo dall'energia della luce stessa, indipendentamente da quanto fosse eccitato il nucleo all'inizio. Questa ipotesi, nota come ipotesi di Brink-Axel, sembrava essere corretta finché osservazioni recenti hanno rivelato una sorprendente svolta: a energie molto basse, i nuclei emettono molta più radiazione gamma di quanto previsto, un fenomeno che ha sfidato le vecchie regole.

Un team di ricercatori si è messo in viaggio per comprendere questo inaspettato aumento dell'emissione di luce a bassa energia costruendo modelli informatici dettagliati di nuclei atomici attraverso una vasta gamma di elementi, inclusi molibdeno, ferro, stagno, germanio e gadolinio. Hanno utilizzato due diversi quadri teorici per simulare il comportamento di questi nuclei: un metodo tradizionale che tratta il nucleo come una sfera, e un approccio più recente e complesso che tiene conto dei nuclei che sono allungati in forme ellissoidali o triassiche. Calcolando i milioni di possibili transizioni tra gli stati energetici all'interno di questi nuclei simulati, il team ha mappato esattamente come la forza dei raggi gamma emessi vari al variare dell'energia della luce. Il loro lavoro rivela che il comportamento di questa emissione di luce non è casuale ma segue un modello chiaro dettato dalla forma del nucleo e dal numero di neutroni che contiene.

I ricercatori hanno scoperto che nei nuclei che sono quasi sferici, l'emissione di raggi gamma è dominata da un singolo picco di intensità acuto a energie molto basse. Lo chiamano Radiazione Magnetica a Bassa Energia, o LEMAR. Appare come un improvviso burst di luce magnetica che svanisce esponenzialmente all'aumentare dell'energia. Tuttavia, man mano che i nuclei diventano più deformati — allungandosi in forme simili a quelle di un pallone da football — una seconda caratteristica emerge accanto allo spike a bassa energia. Questa nuova caratteristica è un ampio rigonfiamento di intensità centrato intorno a tre milioni di elettronvolt, che corrisponde a un fenomeno ben noto chiamato risonanza a forbici. In questo stato, i protoni e i neutroni oscillano l'uno contro l'altro in un modo che ricorda l'apertura e la chiusura di un paio di forbici. Lo studio mostra che man mano che la deformazione del nucleo aumenta, lo spike a bassa energia non scompare; al contrario, coesiste con la risonanza a forbici, creando un profilo bimodale con due distinti picchi di attività.

Questa transizione da un singolo picco a un doppio picco è guidata dalla struttura interna del nucleo. In un nucleo sferico, i livelli di energia delle particelle sono raggruppati in un modo che permette una transizione a bassa energia semplice e unificata. Ma quando il nucleo si deforma, questi gruppi di energia si separano, proprio come un singolo fascio di luce che si scompone in uno spettro di colori passando attraverso un prisma. Questa scissione crea una complessa rete di possibili transizioni. Lo spike a bassa energia nasce dal rimescolamento caotico di questi stati scissi, mentre il rigonfiamento della risonanza a forbici deriva da un tipo specifico di moto collettivo che diventa possibile solo quando il nucleo è deformato. I ricercatori hanno osservato che questo schema è valido in diversi elementi: negli isotopi più leggeri di ferro e molibdeno, il passaggio da un singolo spike a un doppio picco correla direttamente con il numero di neutroni e la risultante forma del nucleo.

Il team ha anche indagato come la natura caotica del nucleo influenzi queste emissioni. Hanno scoperto che lo spike a bassa energia è caratterizzato da un tasso di decadimento specifico che suggerisce che gli stati sottostanti siano altamente complessi e disordinati, simili a un sistema in cui l'informazione viene rimescolata. Questo caos è distinto dalla temperatura complessiva del nucleo, che è una misura di quanti stati energetici sono disponibili. Nella maggior parte dei nuclei studiati, il parametro che descrive il decadimento caotico dell'emissione di luce era significativamente inferiore alla temperatura termodinamica del nucleo, indicando che il meccanismo che guida la luce a bassa energia è una forma unica di disordine che opera diversamente dall'agitazione termica generale delle particelle.

Uno dei risultati più significativi riguarda la relazione tra la forma del nucleo e la quantità totale di luce emessa. I ricercatori hanno scoperto che la forza totale della radiazione magnetica rimane relativamente costante mentre il nucleo cambia forma, ma la distribuzione di tale forza si sposta drasticamente. Nei nuclei sferici, quasi tutta la forza è concentrata nello spike a bassa energia. Man mano che il nucleo si deforma, una parte di quella forza migra verso il rigonfiamento della risonanza a forbici a energie più elevate, lasciando lo spike a bassa energia un po' più debole ma comunque presente. Questa ridistribuzione spiega perché alcuni nuclei sembrano avere una quantità "mancante" di luce a bassa energia rispetto ad altri; la luce non è svanita, si è semplicemente spostata in un diverso intervallo di energia.

Lo studio ha anche toccato i limiti di questi modelli. Nei nuclei in cui il numero di protoni e neutroni è quasi uguale, l'emissione di luce a bassa energia è fortemente soppressa a causa della conservazione di una proprietà chiamata isospin, che agisce come una sorta di equilibrio interno tra i due tipi di particelle. In questi casi specifici, lo spike a bassa energia atteso non appare, sostituito da una regione piatta e debole. Inoltre, sebbene le simulazioni informatiche abbiano riprodotto con successo le tendenze generali viste negli esperimenti, a volte hanno sottostimato la quantità totale di luce emessa, suggerendo che i modelli, pur essendo potenti, perdono ancora alcune interazioni sottili tra le particelle.

In definitiva, questo lavoro fornisce un quadro unificato di come i nuclei atomici si liberino della loro energia. Conferma che l'emissione di raggi gamma non è un processo statico ma uno che evolve con la forma e la composizione del nucleo. La transizione da un'emissione a picco singolo e semplice nei nuclei sferici a una struttura a due picchi complessa nei nuclei deformati è una caratteristica robusta della fisica nucleare, guidata dalla scissione dei livelli di energia e dal rimescolamento caotico degli stati delle particelle. Chiarendo questi meccanismi, i ricercatori hanno offerto una finestra più chiara sul mondo quantistico, mostrando come la danza collettiva di protoni e neutroni determini la stessa luce che scappa dal cuore atomico.