Electromagnetic transition strength in $^{53}$Ca: the lifetime of the $5/2^{-}$ state

Gli atomi sono costruiti attorno a un nucleo denso, chiamato nucleo, che tiene insieme protoni e neutroni. Per decenni, i fisici hanno compreso che queste particelle si dispongono in strati specifici, proprio come i gusci di una cipolla. Certi numeri di particelle riempiono questi gusci completamente, creando una struttura particolarmente stabile e rigida. Questi numeri speciali sono noti come "numeri magici" e fungono da pietre angolari della nostra comprensione di come la materia si organizza alla sua scala più piccola. Tuttavia, questa stabilità non è universale. Quando gli scienziati osservano atomi esotici che esistono lontano dalle forme stabili presenti in natura, queste regole familiari spesso si interrompono. In questi ambienti instabili e ricchi di neutroni, i numeri magici possono svanire e nuovi numeri possono apparire, causando la deformazione e il cambiamento di forma del nucleo. Comprendere perché ciò accada è una delle sfide più urgenti della moderna scienza nucleare, poiché rivela come le forze fondamentali della natura si comportino in condizioni estreme.

Un'area di interesse fondamentale è la catena degli isotopi del calcio, ovvero versioni dell'atomo di calcio con numeri variabili di neutroni. Mentre il calcio-40 è un noto isotopo stabile, gli scienziati sono ansiosi di capire cosa accada aggiungendo più neutroni, spingendosi verso una potenziale nuova chiusura del guscio a quaranta neutroni. Per risolvere questo enigma, i ricercatori hanno bisogno di qualcosa di più di un semplice elenco di livelli energetici; devono misurare quanto facilmente il nucleo possa essere eccitato e come emetta energia. È qui che entra in gioco il concetto di forza di transizione elettromagnetica. Quando un nucleo eccitato torna a uno stato di energia inferiore, rilascia un lampo di luce sotto forma di raggio gamma. La velocità con cui ciò avviene, e l'intensità della luce, racconta una storia sulla struttura interna del nucleo. Se il nucleo è rigido e simile a un guscio, resiste al cambiamento di forma e la transizione è lenta. Se è morbido e fluido, si deforma facilmente e la transizione avviene rapidamente.

In un recente esperimento presso la Radioactive Isotope Beam Factory in Giappone, un team di scienziati si è concentrato su una versione rara e instabile del calcio, il calcio-53. Questo specifico isotopo ha venti protoni e trentatré neutroni, posizionandosi in una regione in cui le regole della struttura nucleare sono ancora in fase di scrittura. I ricercatori volevano misurare la durata di uno specifico stato eccitato all'interno di questo nucleo, uno stato con uno spin di cinque mezze. Per farlo, hanno creato un fascio di atomi radioattivi di scandio-55 e li hanno sparati contro un bersaglio fatto di carbonio e plastica. Quando gli atomi di scandio si sono scontrati con il bersaglio, hanno perso un protone e un neutrone, trasformandosi nei desiderati nuclei di calcio-53 in uno stato eccitato. Questi nuovi nuclei si muovevano a velocità incredibili, vicine a quella della luce, mentre volavano via dal punto di collisione.

Il team ha catturato i raggi gamma emessi da questi nuclei veloci utilizzando un sofisticato array di rilevatori al germanio ad alta purezza. Poiché i nuclei si muovevano così velocemente, la luce che emettevano era distorta dall'effetto Doppler, simile a come il tono di una sirena cambia mentre un'ambulanza sfreccia via. La forma del segnale gamma non era un picco netto, ma una macchia allargata, e la larghezza di questa macchia dipendeva direttamente da quanto tempo il nucleo rimaneva eccitato prima di rilasciare la sua energia. Analizzando la forma precisa di questi segnali con simulazioni al computer avanzate, i ricercatori sono stati in grado di dedurre la durata dello stato eccitato. Hanno scoperto che lo stato è durato circa undici picosecondi, un tempo così breve che si misura in trilionesimi di secondo. Questa misurazione corrisponde a una specifica forza della transizione, indicando quanto fortemente il nucleo interagisce con la forza elettromagnetica.

I risultati di questa misurazione hanno fornito un test critico per i modelli teorici che i fisici utilizzano per prevedere il comportamento nucleare. Il team ha confrontato i propri nuovi dati con due diversi tipi di calcoli avanzati. Il primo tipo, noto come modello a shell (o modello a gusci), utilizza un insieme di regole per descrivere come protoni e neutroni interagiscono all'interno dei loro gusci. Quando i ricercatori hanno utilizzato parametri standard in questi calcoli, la forza prevista della transizione ha corrisponduto molto bene ai loro risultati sperimentali. Tuttavia, quando hanno provato approcci più moderni che tentano di calcolare queste interazioni a partire dalle forze fondamentali tra le singole particelle, noti come metodi ab initio, i risultati sono stati diversi. Queste teorie sofisticate hanno sottostimato significativamente la forza della transizione, prevedendo un'interazione molto più debole di quella effettivamente osservata.

Questa discrepanza è un reperto significativo perché suggerisce che le nostre teorie più avanzate stiano tralasciando qualcosa di importante su come si comportano questi nuclei ricchi di neutroni. Il fatto che il modello a shell più semplice abbia funzionato meglio dei calcoli più complessi basati sui primi principi implica che vi siano effetti collettivi sottili o interazioni a molti corpi che le attuali teorie non riescono a catturare completamente. L'esperimento non ha dimostrato che le teorie siano sbagliate in ogni modo, ma ha stabilito un chiaro parametro di riferimento che esse devono ora soddisfare. I dati mostrano che il nucleo di calcio-53 è più attivo e reattivo di quanto prevedano i modelli più rigorosi attuali. Questa nuova misurazione aggiunge un tassello vitale al puzzle di come i gusci nucleari evolvano mentre ci avviciniamo al limite della stabilità, aiutando gli scienziati a perfezionare la loro comprensione delle forze che tengono insieme l'universo.