Evolution of high-spin states in neutron-rich $^{195-202}$Au isotopes approaching the $N=126$ shell closure

Nel cuore di ogni atomo, nel profondo, giace un nucleo, un denso ammasso di protoni e neutroni tenuti insieme da forze che sfidano la nostra intuizione quotidiana. Per decenni, i fisici hanno mappato il paesaggio di questi nuclei, scoprendo che non sono pile casuali di particelle, ma strutture altamente organizzate con distinti livelli di energia, molto simili ai pioli di una scala. Certi numeri di protoni o neutroni creano configurazioni particolarmente stabili, note come "numeri magici", che fungono da solida base del mondo nucleare. Una di queste basi si trova nell'elemento piombo, specificamente l'isotopo con 82 protoni e 126 neutroni, un nucleo doppio-magico che serve come punto di riferimento cruciale per comprendere come la materia si comporta quando viene spinta ai suoi limiti. Proprio alla sinistra di questa isola di stabilità, nella regione dell'oro, gli scienziati sono interessati a cosa accada quando vengono aggiunti grandi quantità di neutroni. Questi isotopi d'oro ricchi di neutroni sono rari e difficili da creare, eppure detengono la chiave per comprendere come gli elementi pesanti vengano forgiati nelle violente esplosioni delle stelle e come gli atomi più massicci dell'universo vengano assemblati.

Un team di ricercatori ha recentemente rivolto la propria attenzione a questa regione elusiva, concentrandosi su una serie di isotopi dell'oro che vanno dalla massa 195 al 202. Queste versioni specifiche dell'oro sono ricche di neutroni, il che significa che trasportano più neutroni rispetto all'oro stabile che si trova nei gioielli, e si trovano appena prima della chiusura del guscio a 126 neutroni. Gli scienziati volevano vedere come la struttura interna di questi atomi cambi mentre si avvicinano a quel numero magico. Nello specifico, cercavano stati ad alta energia in cui il nucleo ruota rapidamente, una condizione che rivela come i singoli protoni e neutroni si dispongano e interagiscano tra loro. Studiando questi stati di rotazione, il team sperava di testare i modelli teorici che predicono come i nuclei atomici si comportino e di perfezionare la nostra comprensione delle forze che li tengono uniti.

Per intravedere questi fugaci atomi ricchi di neutroni, i ricercatori hanno dovuto crearli in un ambiente controllato. Hanno utilizzato un potente acceleratore di particelle per sparare un fascio di ioni di xeno pesanti contro un bersaglio di platino. Quando questi due nuclei pesanti collidono, non si limitano a rimbalzare l'uno contro l'altro; al contrario, scambiano uno sciame di protoni e neutroni in un processo noto come trasferimento multi-nucleone. Questa collisione ha agito come uno scambio ad alta velocità, scambiando pezzi tra i due atomi per creare nuovi isotopi dell'oro instabili che non esistono naturalmente sulla Terra. L'esperimento si è svolto in una struttura in Francia, dove un sofisticato insieme di rilevatori era pronto a catturare l'immediato seguito di queste collisioni. L'allestimento includeva un grande spettrometro magnetico per smistare i frammenti risultanti in base alla loro massa e carica, e una telecamera gamma ad alta precisione per registrare la luce emessa mentre i nuovi atomi si assestano dai loro stati eccitati.

Il team ha identificato e studiato con successo otto diversi isotopi dell'oro, dal 195 al 202. Per gli isotopi con numero dispari, hanno osservato un modello familiare: uno stato specifico in cui il nucleo ruota a un ritmo moderato, seguito da una serie di stati a spin più elevato che formano una banda. Tuttavia, hanno scoperto qualcosa di inaspettato guardando gli isotopi più pesanti, specificamente quelli con esattamente 119 neutroni. In questi atomi, i livelli di energia degli stati di rotazione sono scesi significativamente più in basso rispetto alla tendenza fluida prevista dalle teorie esistenti. Era come se la scala energetica avesse subito un improvviso calo in un particolare piolo, una caratteristica che appariva costantemente sia negli isotopi dell'oro che nei loro cugini mercurio vicini. Questo calo suggerisce un cambiamento sottile ma importante nella struttura interna del nucleo a questo specifico numero di neutroni, un dettaglio che gli attuali modelli informatici non riescono a riprodurre.

I ricercatori hanno anche trovato nuovi stati a lunga durata nei più pesanti isotopi dell'oro, il 199 e il 201. Questi stati, che il team ha identificato come aventi uno spin di 25/2, hanno agito come punti di sosta temporanei prima che il nucleo rilasciasse la sua energia. Negli isotopi dell'oro più leggeri, stati simili decadono quasi istantaneamente, ma in queste versioni più pesanti, persistono per frazioni di millisecondo. Questa differenza di comportamento ha fornito un segnale chiaro che la disposizione di protoni e neutroni sta cambiando man mano che il nucleo diventa più pesante. Inoltre, il team ha notato che un tipo specifico di schema di rotazione, che era stato visto negli isotopi dell'oro più leggeri, scompare completamente in quelli più pesanti. Questa scomparsa non è un mistero ma una conferma della teoria; all'aumentare del numero di neutroni, l'energia necessaria per mantenere quel particolare schema diventa troppo alta, spingendolo efficacemente fuori dall'intervallo osservabile.

Per dare un senso a queste osservazioni, gli scienziati hanno eseguito massicce simulazioni al computer basate sul modello a shell, una teoria che tratta protoni e neutroni come se si muovessero in orbite specifiche all'interno del nucleo. Le simulazioni corrispondono generalmente ai dati sperimentali, confermando che gli stati ad alto spin sono guidati dal movimento di protoni e neutroni in orbite specifiche ad alta energia. I calcoli hanno mostrato che, man mano che il nucleo ruota più velocemente, i protoni e i neutroni allineano i loro spin in modo coordinato, contribuendo alla rotazione complessiva. Tuttavia, le simulazioni hanno faticato a spiegare il brusco calo dei livelli di energia a 119 neutroni. Sebbene i modelli potessero predire la tendenza generale, hanno mancato questo specifico calo, indicando che esiste un pezzo del puzzle riguardante il modo in cui queste particelle interagiscono in questo preciso punto che è ancora mancante.

Lo studio ha anche gettato luce sui ruoli giocati da protoni e neutroni nel creare questi stati ad alto spin. Negli isotopi dell'oro più leggeri, i protoni erano i motori primari dello spin, contribuendo con una quantità costante di momento angolare. Ma man mano che gli isotopi diventavano più pesanti e si avvicinavano al limite dei 126 neutroni, i neutroni hanno iniziato a prendere il sopravvento. Negli isotoli dell'oro più pesanti studiati, i neutroni hanno contribuito allo spin più dei protoni, segnando un netto spostamento nella dinamica nucleare. Questo crossover suggerisce che l'equilibrio di potere all'interno del nucleo cambia man mano che si riempie di neutroni, alterando il modo in cui l'atomo si comporta in condizioni estreme.

In definitiva, questo lavoro fornisce un quadro più chiaro del panorama nucleare vicino al limite di stabilità. Mappando i livelli di energia e gli stati di spin di questi rari isotopi dell'oro, i ricercatori hanno fornito un test rigoroso per le teorie che descrivono come siano costruiti i nuclei atomici. La scoperta del calo di energia a 119 neutroni e lo spostamento dei contributi di spin offrono nuovi indizi sulle forze in gioco all'interno dell'atomo. Sebbene gli attuali modelli spieghino gran parte di quanto visto, il calo inspiegato rimane una domanda aperta, che invita a ulteriori indagini. Questa ricerca non solo approfondisce la nostra comprensione dell'atomo d'oro stesso, ma affina anche gli strumenti che gli scienziati usano per tracciare le origini degli elementi pesanti nel cosmo, portandoci un passo più vicini a comprendere l'architettura fondamentale della materia.