B$_{4/2}$ anomaly related to the shape coexistence in $^{94}$Zr

Nel cuore di ogni atomo giace un nucleo, un denso ammasso di protoni e neutroni che si comporta meno come una biglia rigida e più come una goccia di liquido. Nel mondo della fisica nucleare, queste gocce possono cambiare la loro forma. A volte sono perfettamente rotonde, come una sfera. Altre volte si allungano in un ovale, somigliando a un pallone da rugby, o si appiattiscono in un disco. Per decenni, i fisici hanno costruito modelli matematici per prevedere come queste forme vibrino e ruotino, aspettandosi che il nucleo si assesti in una forma stabile o transiti fluidamente tra di esse. Tuttavia, la natura spesso ci sorprende con eccezioni che sfidano queste precise aspettative. Un tale enigma riguarda una specifica misurazione di come il nucleo emetta energia, un valore che a volte scende a un numero sorprendentemente basso, rompendo gli schemi che le teorie standard prevedono. Questa anomalia, nota come anomalia B4/2, è apparsa in un manipolo di nuclei, lasciando gli scienziati a chiedersi quale complessità nascosta stia guidando questo comportamento.

Uno studio recente si è concentrato sul nucleo dello Zirconio-94, un isotopo che esibisce questo strano comportamento, per scoprire la fonte del mistero. I ricercatori, operanti da istituzioni in Romania e Marocco, si sono rivolti a un sofisticato quadro noto come modello di Bohr-Mottelson, che tratta il nucleo come un sistema collettivo di parti in movimento. Invece di utilizzare un potenziale semplice e liscio per descrivere le forze che tengono insieme il nucleo, hanno impiegato un potenziale più complesso, del sesto ordine. Questo strumento matematico ha permesso loro di esplorare una gamma più ampia di possibilità, cercando specificamente scenari in cui il nucleo potrebbe non solo vibrare in una singola forma, ma ospitare effettivamente due o più forme distinte contemporaneamente. Questo fenomeno, chiamato coesistenza di forme, suggerisce che un singolo nucleo possa supportare simultaneamente una configurazione sferica e una deformata, con le diverse forme che si mescolano per creare i livelli energetici osservati.

Il team ha applicato il proprio modello ai livelli di energia più bassi dello Zirconio-94, confrontando i propri calcoli con i dati sperimentali più recenti disponibili. Hanno scoperto che una descrizione singola e semplice del nucleo era insufficiente per spiegare il quadro completo. Invece, i dati puntavano verso uno scenario di tripla coesistenza di forme. Lo stato di energia più basso, lo stato fondamentale, si comporta come una sfera quasi perfetta. Tuttavia, il primo stato eccitato con uno spin di quattro, un tipo specifico di momento angolare, appartiene chiaramente a una famiglia diversa: ha la forma di un ovale assialmente simmetrico e allungato. La transizione di energia tra questi due stati specifici è ciò che crea l'anomalia. Poiché il nucleo deve passare da una forma sferica a una forma ovale allungata, la probabilità di questa transizione è significativamente soppressa, risultando nel valore insolitamente basso che ha perplesso gli scienziati per anni.

Eppure, la storia non finiva lì. Quando i ricercatori hanno esaminato altri stati eccitati, specificamente quelli con spin zero e due unità, il quadro è cambiato nuovamente. Questi stati non si adattavano al semplice modello ovale. Si comportavano invece come se il nucleo fosse dinamicamente instabile, fluttuando in un modo che suggerisce una deformazione triassiale, dove la forma non è né una sfera perfetta né un semplice ovale, ma qualcosa di più complesso che oscilla in tre dimensioni. Lo studio ha rivelato che il secondo stato eccitato a spin zero e il secondo stato eccitato a spin due sono dominati da questo carattere triassiale, pur mantenendo ancora una piccola miscela della forma sferica. Questa miscelazione è cruciale, poiché spiega perché certe transizioni energetiche tra questi stati siano così deboli, corrispondendo alle osservazioni sperimentali che un modello a singola forma non poteva spiegare.

I ricercatori hanno concluso che la chiave per comprendere lo Zirconio-94 non è scegliere tra una forma sferica, un ovale o una triassiale, ma riconoscere che tutte e tre esistono nello stesso nucleo. L'anomalia nella transizione di energia è il risultato diretto del passaggio del nucleo dallo stato fondamentale sferico allo stato quarto di forma ovale, separati da una significativa barriera energetica che rende difficile il salto. Nel frattempo, gli altri stati danzano al ritmo di una melodia triassiale. Questa tripla coesistenza fornisce una spiegazione completa dei livelli di energia e della forza delle transizioni elettromagnetiche osservate in laboratorio. Sebbene l'attuale modello riproduca con successo la maggior parte dei dati, i ricercatori hanno notato che alcune transizioni rimangono difficili da descrivere perfettamente, suggerendo che un modello futuro, ancora più generale, potrebbe essere necessario per trattare tutte e tre le configurazioni di forma su un piano di parità. Per ora, tuttavia, lo studio offre una spiegazione chiara e convincente di un enigma nucleare di lunga data, mostrando che l'interno di un atomo può essere molto più versatile e complesso di quanto precedentemente immaginato.