Shape coexisting intruder states in even Sn isotopes and their influence on the $B_{4/2}<1$ anomaly

Nel cuore profondo di ogni atomo giace un nucleo, un denso ammasso di protoni e neutroni che si comporta meno come una pallina statica di argilla e più come una goccia di liquido che può allungarsi, schiacciarsi e vibrare. Per decenni, i fisici hanno studiato questi minuscoli nuclei per capire come rimangano uniti e come cambino forma. Uno degli enigmi più affascinanti in questo campo riguarda atomi che sembrano esistere in due forme diverse contemporaneamente. Immaginate un nucleo che può essere perfettamente rotondo, come una palla da biliardo, e poi improvvisamente allungarsi in una forma a pallone da football senza cambiare il numero di particelle. Questo fenomeno, noto come coesistenza di forme, sfida la nostra comprensione di come la materia si organizzi alle scale più piccole. Gli scienziati si concentrano su una specifica famiglia di atomi chiamati isotopi dello stagno perché offrono una lunga e stabile catena di esempi in cui questi cambiamenti di forma possono essere osservati e misurati. Studiando come questi atomi transitano tra le loro diverse forme, i ricercatori sperano di scoprire le regole fondamentali che governano la struttura di tutta la materia.

In uno studio recente, un team di fisici ha rivolto la propria attenzione a un gruppo specifico di atomi di stagno, che vanno dalle versioni più leggere con numeri di massa da 114 alle più pesanti con numero di massa 122. Erano particolarmente interessati a un'insolita anomalia riportata in alcuni di questi atomi: una misurazione che suggeriva che il nucleo si stesse comportando in un modo che sfidava le aspettative standard. Nello specifico, quando questi atomi saltavano da un livello di energia all'altro, la probabilità del salto non seguiva il modello fluido visto in altri elementi. Inveverso, i numeri scendevano al di sotto di una soglia critica, suggerendo che la struttura interna dell'atomo stesse cambiando in modo più drastico di quanto chiunque avesse previsto. Per risolvere questo mistero, i ricercatori hanno costruito un modello matematico che tratta il nucleo non come una collezione di singole particelle, ma come un singolo oggetto che si muove attraverso un paesaggio di energia. Hanno immaginato questo paesaggio come una valle con due distinte depressioni, o pozzi. Una depressione rappresenta una forma rotonda, sferica, mentre l'altra rappresenta una forma allungata, deformata. Il nucleo può stabilirsi in una delle due depressioni, oppure può esistere in uno stato che è una miscela di entrambe.

I ricercatori hanno utilizzato questo paesaggio a doppio pozzo per simulare il comportamento degli atomi di stagno, regolando la forma della valle per vedere se riuscivano a riprodurre i livelli di energia effettivamente misurati nei laboratori. Hanno scoperto che, calibrando attentamente la profondità e la larghezza di queste due depressioni, il loro modello poteva corrispondere accuratamente ai dati sperimentali per i diversi isotopi dello stagno. Le simulazioni hanno rivelato che gli atomi più leggeri e quelli più pesanti del gruppo, come quelli con numeri di massa 114 e 122, si comportano in modo molto diverso da quelli centrali. Negli atomi più leggeri, il nucleo parte da una forma quasi rotonda ma, man mano che acquista energia e ruota più velocemente, subisce un passaggio improvviso e drammatico verso una forma altamente allungata. Questo cambiamento strutturale brusco significa che l'onda che descrive lo stato rotondo e l'onda che descrive lo stato allungato non si sovrappongono bene. Poiché queste due forme sono così diverse, l'atomo fatica a compiere la transizione tra di esse, risultando nelle insolite probabilità basse che avevano perplesso gli scienziati.

Per gli atomi più pesanti con numeri di massa 120 e 122, la situazione è leggermente diversa ma porta a un risultato simile. Qui, il nucleo esiste in uno stato in cui le forme rotonda e allungata sono quasi ugualmente probabili, creando una personalità doppia in cui l'atomo è simultaneamente in due configurazioni molto diverse. Questa dualità interrompe anche la transizione tra i livelli di energia, facendo sì che la probabilità scenda vicino alla stessa bassa soglia. Gli atomi nella parte centrale del gruppo, con numeri di massa 116 e 118, mostrano un comportamento più mescolato dove le due forme si fondono più fluidamente, evitando il brusco calo della probabilità. Lo studio ha anche esaminato come queste forme si mescolino tra loro. In alcuni casi, le configurazioni rotonda e allungata rimangono distinte e separate, un fenomeno noto come coesistenza di forme senza mescolamento. In altri casi, esse si fondono insieme. I ricercatori hanno scoperto che il modo specifico in cui queste forme si mescolano o rimangono separate è ciò che determina la forza delle transizioni tra i livelli di energia.

Avendo con successo fatto corrispondere il proprio modello ai dati del mondo reale, il team ha fornito una spiegazione chiara per le misurazioni anomale. Hanno dimostrato che lo strano calo nella probabilità di transizione non è un errore casuale o un segno di una teoria fallace, ma una conseguenza diretta del fatto che il nucleo cambia la sua forma troppo velocemente o esiste in due forme contrastanti contemporaneamente. Lo studio conferma che gli stati fondamentali di questi atomi di stagno sono quasi sferici, mentre i loro stati eccitati sono ben deformati. La chiave dell'anomalia risiede nello stato in cui l'atomo ha lo spin più alto nel gruppo principale, che funge da ponte tra i mondi rotondo e allungato. Quando questo ponte è costruito su una base di due forme molto diverse, la connessione diventa debole e la probabilità di transizione scende. Questo lavoro offre una mappa dettagliata di come le forme nucleari si evolvano attraverso una catena di elementi, mostrando che l'architettura interna di un atomo può cambiare drasticamente con l'aggiunta di poche particelle, rimodellando la nostra comprensione delle forze che tengono unito il nucleo atomico.