Singular observation of shape and spin hindrance in metastable nuclear decay of $^{197}$Au

Nel cuore di ogni atomo giace un nucleo, un ammasso densamente compatto di protoni e neutroni che solitamente si comporta con prevedibile semplicità. Quando questi nuclei vengono eccitati, tipicamente rilasciano la loro energia extra quasi istantaneamente, disperdendola in una frazione di secondo. Tuttavia, la natura occasionalmente crea un'eccezione rara: un isomero nucleare. Questo è uno stato in cui il nucleo rimane bloccato, trattenendo la sua energia per un tempo sorprendentemente lungo, talvolta secondi o addirittura anni. Questo ritardo avviene perché il nucleo ha cambiato la sua forma o il suo spin in un modo che rende molto difficile tornare a uno stato più calmo. Gli scienziati studiano questi stati ostinati perché agiscono come sonde sensibili, rivelando come i mattoni fondamentali della materia interagiscano e come le regole del mondo quantistico modellino l'universo fisico.

Per decenni, i ricercatori hanno conosciuto due ragioni principali per cui un nucleo potrebbe rimanere bloccato. A volte, il nucleo cambia la sua forma fisica, come una palla che si allunga in un pallone da football, e l'energia necessaria per farla tornare alla forma originale è troppo elevata. Altre volte, il nucleo ruota così velocemente o in una direzione così specifica che non può facilmente rallentare senza infrangere le regole della fisica. Fino ad ora, queste due ragioni del ritardo erano considerate fenomeni separati, che si verificano in diversi tipi di atomi. Un team di fisici ha ora scoperto un caso unico in cui entrambi i motivi accadono contemporaneamente in un singolo atomo, creando un puzzle complesso che sfida la nostra attuale comprensza di come siano costruiti i nuclei atomici.

I ricercatori hanno concentrato la loro attenzione sull'oro, nello specifico sull'isotopo stabile oro-197. Sebbene l'oro sia un metallo familiare, il suo nucleo atomico può essere indotto in uno stato eccitato utilizzando fasci di particelle ad alta energia. In esperimenti condotti presso l'acceleratore ATLAS in Illinois, gli scienziati hanno sparato fasci di atomi pesanti contro una spessa lamina d'oro per scuotere i nuclei d'oro in questi stati ad alta energia. Hanno poi atteso, utilizzando rilevatori altamente sensibili per ascoltare i deboli segnali dei raggi gamma — la luce emessa quando il nucleo finalmente si rilassa. Cronometrando attentamente questi segnali, sono stati in grado di identificare un nuovo stato a lunga durata all'interno del nucleo dell'oro, che non era mai stato visto prima.

Questo stato appena scoperto si trova a un livello di energia di 2102 kiloelettronvolt e ha un valore di spin di 29/2, una misura del suo momento angolare. Ciò che rende questa scoperta straordinaria è il modo in cui il nucleo decide di lasciare andare la sua energia. Invece di seguire un percorso singolo e diretto, affronta un dilemma strano. Può rilasciare energia cambiando la sua forma, un processo che è solitamente efficiente, ma in questo caso, quel percorso è pesantemente bloccato. Allo stesso tempo, può rilasciare energia rallentando la rotazione, un processo che tipicamente procede con una forza quasi di singola particella, eppure qui compete con il cambiamento di forma bloccato. Il nucleo finisce per dividere il suo decadimento in due rami competitivi: uno che è fortemente ostacolato da un cambiamento di forma, e un altro che segue un percorso legato allo spin con un'intensità comparabile, nonostante l'insolita coesistenza di questi meccanismi.

Il team ha misurato la durata di questo stato come superiore a dieci secondi, un'eternità nel mondo della fisica nucleare. Hanno osservato che il nucleo emette un raggio gamma con un'energia di 266,6 kiloelettronvolt mentre scende a un livello di energia inferiore. Questa specifica emissione è un tipo di transizione che è normalmente molto rara e lenta, eppure compete direttamente con una transizione molto più debole, legata al cambiamento di forma, che è quasi completamente soppressa. Questa insolita coesistenza di un cambiamento di forma bloccato e di un cambiamento di spin competitivo non è mai stata osservata prima in uno stato nucleare a lunga durata. Suggerisce che il nucleo d'oro sia intrappolato tra due diverse realtà strutturali, incapace di impegnarsi pienamente in una o nell'altra.

Per capire perché ciò stia accadendo, gli scienziati hanno eseguito simulazioni computerizzate dettagliate utilizzando due diversi modelli di struttura nucleare. Un modello trattava il nucleo come un oggetto deformato e rotante, mentre l'altro esaminava le singole particelle al suo interno. Entrambi i modelli concordavano sul fatto che il nucleo abbia una forma moderata e schiacciata, ma rivelarono anche un conflitto. I calcoli mostravano che la transizione che coinvolge il cambiamento di forma dovrebbe essere molto più forte di quanto osservato, mentre la transizione legata allo spin corrispondeva meglio ai dati. Questa discrepanza indica che i modelli semplici stanno omettendo qualcosa di importante su come la forma e le singole particelle si mescolino insieme in questo stato specifico. I risultati suggeriscono che anche vicino a regioni stabili e ben comprese della tavola periodica, il comportamento dei nuclei atomici può essere molto più intricato di quanto precedentemente pensato.

Questa scoperta è significativa perché costringe a una rivalutazione di come gli scienziati descrivano la vita interna di un atomo. Le teorie attuali spesso trattano la forma collettiva di un nucleo e il comportamento delle sue singole particelle come storie separate. L'isomero dell'oro-197 mostra che queste storie sono profondamente intrecciate, con la forma che ostacola il decadimento mentre la transizione legata allo spin procede con una forza quasi di singola particella. Ciò crea un benchmark unico per testare le teorie moderne, poiché qualsiasi modello di successo deve ora essere in grado di spiegare come questi due diversi tipi di resistenza lavorino insieme in un singolo atomo. La scoperta non aggiunge solo una nuova voce a un elenco di stati nucleari; apre una finestra sull'interazione complessa tra il moto collettivo del nucleo e la meccanica quantistica dei suoi costituenti, provando che anche nel regno familiare dell'oro, ci sono ancora profondi misteri in attesa di essere risolti.