A novel projected shell model method for nuclear level density

Nel cuore di ogni atomo giace un mondo frenetico e caotico dove protoni e neutroni si accalcano, legati da forze che sfidano la nostra intuizione quotidiana. Per gli scienziati che studiano come le stelle forgiano nuovi elementi o come i reattori nucleari generano energia, è necessaria un'informazione critica: in quanti modi diversi possono questi minuscoli frammenti disponersi a diversi livelli energetici? Questo conteggio, noto come densità dei livelli nucleari, funge da mappa per prevedere come gli atomi si comporteranno quando collidono o assorbono energia. Senza una mappa accurata, la nostra comprensione delle esplosioni cosmiche o della sicurezza nella gestione dei rifiuti nucleari rimane incompleta. Per decenni, i ricercatori si sono affidati a supposizioni statistiche per colmare le lacune dove le misurazioni dirette sono impossibili, assumendo che all'aumentare dell'energia, il numero di possibili disposizioni cresca semplicemente secondo una curva fluida e prevedibile. Tuttavia, la vera struttura del nucleo atomico è molto più complessa di un semplice gas di particelle, e i dettagli di come queste particelle si accoppino e si separino sono rimasti un mistero nelle zone ad alta energia che sono difficili da sondare.

Un team di ricercatori della Shanghai Jiao Tong University e della Southwest University ha ora rimosso uno strato di questo mistero applicando un nuovo e potente metodo computazionale a un atomo specifico e ben studiato: il disprosio-164. Questo è un nucleo pesante e stabile che è naturalmente deformato, il che significa che ha una forma più simile a quella di un pallone da rugby che a una sfera perfetta. Gli scienziati hanno utilizzato una tecnica chiamata modello a guscio proiettato (projected shell model), che tratta il nucleo non come una massa informe, ma come una collezione di singole particelle che possono accoppiarsi o separarsi. Costruendo una vasta libreria di possibili disposizioni — che vanno da semplici coppie a gruppi complessi di fino a sei coppie rotte — sono stati in grado di risolvere le equazioni che governano gli stati energetici del nucleo con una precisione precedentemente impossibile per un sistema così pesante. La chiave del loro successo è stata una svolta negli algoritmi informatici che ha permesso loro di gestire l'immensa complessità di queste interazioni senza dover semplificare la fisica.

Quando i ricercatori hanno confrontato i loro risultati calcolati con i dati sperimentali noti, l'abbinamento è stato sorprendentemente perfetto per i livelli di energia inferiori, confermando che il loro metodo aveva identificato correttamente le specifiche disposizioni di particelle che erano già state osservate in laboratorio. Ma è stato nei range di energia più elevati, dove il nucleo inizia a rompere le sue coppie interne, che lo studio ha rivelato qualcosa di completamente nuovo. Contrariamente alla lunga convinzione che il numero di stati possibili dovrebbe iniziare a crescere esponenzialmente non appena la prima coppia di particelle si rompe, i dati hanno mostrato una pausa distinta. Nell'intervallo di energia tra 2,3 e 4,0 milioni di elettronvolt, la crescita di questi stati si è appiattita in un plateau, creando una struttura a gradini invece di una pendenza fluida. Questa regione piatta suggerisce che il nucleo resiste al cambiamento della propria struttura immediatamente dopo che la prima coppia si è rotta, aspettando invece che una seconda coppia si rompa simultaneamente prima che il numero di stati disponibili esploda nuovamente.

Questa scoperta sfida la visione standard dei libri di testo su come i nuclei atomici si comportano sotto stress. I ricercatori hanno scoperto che il salto improvviso nel numero di stati possibili non avviene gradualmente; al contrario, è ritardato finché sia una coppia di neutroni che una coppia di protoni non si sono rotte contemporaneamente, creando una nuova configurazione più complessa. Questo ritardo crea una specifica "finestra" di energia in cui la struttura del nucleo è insolitamente stabile, una caratteristica che potrebbe alterare significativamente il modo in cui gli scienziati calcolano la probabilità che gli atomi catturino neutroni — un processo vitale per comprendere come gli elementi pesanti vengano creati nell'universo. Lo studio ha anche esaminato come viene distribuito lo "spin", ovvero la velocità di rotazione, di questi stati nucleari. Mentre le teorie precedenti suggerivano che questa distribuzione segua una curva regolare a campana a tutte le alte energie, i nuovi calcoli mostrano che questo schema emerge solo una volta che il nucleo raggiunge uno stato veramente caotico ad energie molto elevate. Al di sotto di tale soglia, la distribuzione è irregolare e dipende fortemente dal modo specifico in cui le particelle sono accoppiate, dimostrando che la struttura interna del nucleo lascia un'impronta digitale chiara anche nei suoi momenti più energetici.

Le implicazioni di questo lavoro vanno oltre la semplice correzione di una curva su un grafico. Dimostrando che la crescita degli stati nucleari non è una semplice scalata continua, ma è invece segnata da distinti gradini e pause, lo studio suggerisce che gli attuali modelli utilizzati nell'ingegneria nucleare e nell'astrofisica potrebbero necessitare di una revisione. Se il numero di stati disponibili è inferiore alle aspettative in determinati intervalli di energia, i calcoli su quanto velocemente avvengano le reazioni nucleari potrebbero cambiare, influenzando potenzialmente le previsioni per tutto, dal ciclo di vita delle stelle alla progettazione di futuri isotopi medici. I ricercatori non hanno solo trovato un nuovo numero; hanno rivelato un ritmo nascosto nel modo in cui i nuclei atomici si organizzano, mostrando che anche negli ambienti più caotici, la natura segue una logica strutturata e passo dopo passo che può ora essere vista chiaramente per la prima volta.