Low-energy collective structure of $^{92,94}$Zr and $^{94}$Mo from ($e,e^{\prime}$) and ($p,p^{\prime}$) scattering I. Experimental results

Nel cuore di ogni atomo, protoni e neutroni non restano semplicemente fermi; si muovono in un ritmo complesso e collettivo. Sebbene spesso immaginiamo queste particelle come singoli punti, in molti nuclei atomici esse si comportano più come un fluido, oscillando insieme in schemi specifici. I fisici hanno compreso da tempo che questi movimenti oscillatori si presentano in due forme principali. Nel tipo più comune, i protoni e i neutroni si muovono in perfetto unisono, come una singola folla unificata che marcia all'unisono. Questo è noto come stato completamente simmetrico. Tuttavia, esiste un modello più sottile ed elusivo in cui i protoni e i neutroni si muovono l'uno contro l'altro, come due gruppi in un tiro alla fune che fanno comunque parte della stessa squadra. Questo è chiamato stato a simmetria mista. Trovare e confermare questi stati a simmetria mista è cruciale perché rivelano la natura specifica della forza che lega il nucleo atomico, agendo come un test sensibile per le nostre teorie su come la materia sia costruata al suo livello più fondamentale.

Per scorgere un riflesso di questi schemi nascosti, un team di ricercatori ha rivolto la propria attenzione a un gruppo specifico di nuclei atomici: zirconio-92, zircono-94, molibdeno-94, molibdeno-96 e zinco-70. Queste non sono scelte casuali; sono nuclei che si trovano appena fuori le "gusce chiuse" stabili dove protoni e neutroni solitamente si impacchettano ordinatamente, rendendoli laboratori ideali per studiare questi movimenti collettivi. Gli scienziati non hanno osservato questi nuclei con un singolo strumento. Al contrario, hanno sparato due tipi diversi di proiettili contro di essi: elettroni ad alta velocità e protoni ad alta velocità. Gli elettroni, essendo leggeri e carichi elettricamente, interagiscono con il nucleo principalmente attraverso la forza elettrica, fornendo un'immagine chiara di come si muovano i protoni. I protoni, essendo più pesanti e interagendo attraverso la forza nucleare forte, forniscono una visione diversa che include il movimento dei neutroni. Confrontando i risultati di questi due esperimenti molto diversi, i ricercatori sono stati in grado di separare il movimento dei protoni dal movimento dei neutroni, riuscendo effettivamente ad ascoltare le due facce del nucleo che parlano con voci diverse.

Gli esperimenti si sono svolti in strutture specializzate in Germania e Sud Africa. Il team ha bombardato sottili fogli metallici dei nuclei bersaglio con fasci di elettroni e protoni, misurando attentamente gli angoli ai quali le particelle si sono disperse dopo aver colpito il nucleo. Quando una particella rimbalza, l'angolo del suo rimbalzo dipende dalla forma e dalla natura della vibrazione all'interno del nucleo. I ricercatori hanno raccolto enormi quantità di dati, mappando quanto spesso le particelle si disperdevano a diversi angoli per decine di stati eccitati all'interno di questi nuclei. Hanno poi confrontato questi schemi di diffusione del mondo reale con calcoli teorici che prevedevano come un nucleo si sarebbe comportato se stesse vibrando in un modo specifico. Questo confronto ha permesso loro di assegnare uno "spin" e una "parità" a ciascuno stato eccitato, che sono essenzialmente etichette che descrivono il tipo di rotazione e simmetria della vibrazione.

I risultati hanno fornito una mappa dettagliata della struttura a bassa energia di questi nuclei. Il team ha identificato con successo molti stati che erano già noti, confermando la loro natura di vibrazioni completamente simmetriche in cui protoni e neutroni si muovono insieme. Più importante ancora, hanno identificato possibili candidati per gli elusivi stati a simmetria mista e hanno fornito i dati sperimentali necessari per la loro conferma. Ad esempio, nel nucleo dello zirconio-94, hanno identificato uno stato eccitato specifico che è un candidato per uno stato a simmetria mista, notando che mostra una distinta differenza nel modo in cui i protoni e i neutroni contribuiscono alla vibrazione. Allo stesso modo, nel molibdeno-94, hanno individuato uno stato che era stato sospettato di essere uno stato a simmetria mista, e i loro nuovi dati su come esso disperda protoni ed elettroni supportano tale identificazione. Lo studio ha esaminato anche vibrazioni a energia più elevata, come quelle che coinvolgono forme ottupolari, più complesse di semplici schiacciamenti e allungamenti, e ha trovato prove sia per le versioni simmetriche che per quelle potenzialmente a simmetria mista di queste stesse.

Ciò che rende questo lavoro particolarmente significativo è il metodo utilizzato per raccogliere i dati per la conferma di questi stati. Invece di affidarsi esclusivamente a come il nucleo decade o emette luce, il che può talvolta essere ambiguo, i ricercatori hanno utilizzato il confronto diretto tra lo scattering di elettroni e di protoni per osservare le densità di transizione. Questa è una misura di come la distribuzione di protoni e neutroni cambi durante la vibrazione. In uno stato completamente simmetrico, i protoni e i neutroni cambiano la loro distribuzione nello stesso modo. In uno stato a simmetria mista, essi cambiano in modi opposti. Dimostrando che i dati sperimentali si adattano alle previsioni di questi movimenti opposti, il team ha stabilito le fondamenta per una firma nuova e robusta per l'identificazione di questi stati. Questo approccio aiuta a risolvere dibattiti di lunga data sull'esistenza di certi tipi di vibrazioni in questi nuclei, in particolare quelle con spin più elevati che erano difficili da classificare in precedenza, con l'analisi completa e l'identificazione finale presentate in un articolo di accompagnamento.

Lo studio non si è limitato a confermare ciò che era già noto; ha anche chiarito le incertezze. In alcuni casi, dove esperimenti precedenti avevano suggerito che uno stato potesse essere un mix di diversi tipi, i nuovi dati hanno permesso un'assegnazione più chiara. Ad esempio, nello zinco-70, il team ha esaminato un doppietto di stati vicino a 3044 keV; mentre altri esperimenti avevano identificato uno stato 5-, i nuovi dati sulla distribuzione angolare erano meglio descritti assumendo un doppietto di uno stato 2+ e uno 5-, sebbene le assegnazioni definitive dello spin per i singoli componenti rimanessero difficili in alcune regioni sovrapposte. Hanno anche scoperto che in alcuni nuclei più pesanti come il molibdeno-96, i livelli energetici sono così affollati che i singoli stati sono più difficili da distinguere, eppure sono stati comunque in grado di estrarre informazioni significative sul comportamento collettivo di protoni e neutroni. Il lavoro funge da passo fondamentale, fornendo i dati sperimentali necessari affinché modelli teorici più complessi possano essere testati. Stabilendo un quadro chiaro di come questi nuclei vibrano, la ricerca approfondisce la nostra comprensione della forza nucleare e dell'intricata danza di protoni e neutroni che tiene insieme la materia dell'universo.