Development of the {\gamma} strength function with the neutron number

No coração de cada átomo, prótons e nêutrons se mantêm unidos em uma multidão densa e caótica. Quando esses núcleos atômicos são excitados, talvez por uma colisão ou por um decaimento radioativo, eles não permanecem simplesmente imóveis; eles liberam seu excesso de energia emitindo flashes de luz, especificamente raios gama. Cientistas estudam há muito tempo como esses núcleos absorvem tal luz, um processo dominado por uma vibração coletiva massiva conhecida como ressonância de dipolo gigante, onde os prótons e nêutrons oscilam de um lado para o outro um contra o outro, como dois fluidos opostos. No entanto, o processo inverso — como um núcleo libera energia enquanto esfria de um estado de alta energia — permaneceu um mistério mais elusivo. Por décadas, uma ideia predominante sugeria que a maneira como um núcleo emite luz deveria depender apenas da própria energia da luz, independentemente de quão excitado o núcleo estava inicialmente. Essa suposição, conhecida como hipótese de Brink-Axel, parecia ser verdadeira até que observações recentes revelaram uma reviravolta surpreendente: em energias muito baixas, os núcleos emitem muito mais radiação gama do que se esperava, um fenômeno que desafiou as regras antigas.

Uma equipe de pesquisadores partiu para entender esse aumento inesperado na emissão de luz de baixa energia construindo modelos computacionais detalhados de núcleos atômicos através de uma ampla gama de elementos, incluindo molibdênio, ferro, estanho, germânio e gadolínio. Eles utilizaram dois frameworks teóricos diferentes para simular o comportamento desses núcleos: um método tradicional que trata o núcleo como uma esfera, e uma abordagem mais nova e complexa que considera núcleos que são esticados em formas elípticas ou triaxiais. Ao calcular os milhões de transições possíveis entre estados de energia dentro desses núcleos simulados, a equipe mapeou exatamente como a força dos raios gama emitidos muda conforme a energia da luz varia. O trabalho deles revela que o comportamento desta emissão de luz não é aleatório, mas segue um padrão claro ditado pela forma do núcleo e pelo número de nêutrons que ele contém.

Os pesquisadores descobriram que, em núcleos que são quase esféricos, a emissão de raios gama é dominada por um único e agudo pico de intensidade em energias muito baixas. Eles chamam isso de Radiação Magnética de Baixa Energia, ou LEMAR. Ela aparece como um surto repentino de luz magnética que desaparece exponencialmente à medida que a energia aumenta. No entanto, conforme os núcleos se tornam mais deformados — esticando-se em formas semelhantes a bolas de futebol americano — um segundo recurso emerge ao lado do pico de baixa energia. Este novo recurso é um alargamento largo de intensidade centrado em três milhões de elétron-volts, o que corresponde a um fenôamente bem conhecido chamado ressonância de tesoura. Neste estado, os prótons e nêutrons oscilam um contra o outro de uma forma que lembra a abertura e o fechamento de uma tesoura. O estudo mostra que, conforme a deformação do núcleo aumenta, o pico de baixa energia não desaparece; em vez disso, ele coexiste com esta ressonância de tesoura, criando um perfil bimodal com dois picos distintos de atividade.

Esta transição de um pico único para um duplo pico é impulsionada pela estrutura interna do núcleo. Em um núcleo esférico, os níveis de energia das partículas são agrupados de uma forma que permite uma transição de baixa energia simples e unificada. Mas quando o núcleo se deforma, esses grupos de energia se dividem, de forma muito semelhante a um único feixe de luz que se quebra em um espectro de cores ao passar por um prisma. Esta divisão cria uma rede complexa de transições possíveis. O pico de baixa energia surge da mistura caótica desses estados divididos, enquanto o alargamento da ressonância de tesoura provém de um tipo específico de movimento coletivo que se torna possível apenas quando o núcleo está deformado. Os pesquisadores observaram que este padrão se mantém através de diferentes elementos: nos isótopos mais leves de ferro e molibdênio, a mudança de um pico único para um duplo pico correlaciona-se diretamente com o número de nêutrons e a forma resultante do núcleo.

A equipe também investigou como a natureza caótica do núcleo influencia essas emissões. Eles descobriram que o pico de baixa energia é caracterizado por uma taxa de decaimento específica que sugere que os estados subjacentes são altamente complexos e desordenados, semelhante a um sistema onde a informação é embaralhada. Este caos é distinto da temperatura geral do núcleo, que é uma medida de quantos estados de energia estão disponíveis. Na maioria dos núcleos estudados, o parâmetro que descreve o decaimento caótico da emissão de luz era significativamente inferior à temperatura termodinâmica do núcleo, indicando que o mecanismo que impulsiona a luz de baixa energia é uma forma única de desordem que opera de forma diferente da agitação térmica geral das partículas.

Uma das descobertas mais significativas diz respeito à relação entre a forma do núcleo e a quantidade total de luz que ele emite. Os pesquisadores descobriram que a força total da radiação magnética permanece relativamente constante conforme o núcleo muda de forma, mas a distribuição dessa força muda dramaticamente. Em núcleos esféricos, quase toda a força é concentrada no pico de baixa energia. À medida que o núcleo se deforma, uma parte dessa força migra para o alargamento da ressonância de tesoura em energias mais altas, deixando o pico de baixa energia um pouco mais fraco, mas ainda presente. Esta redistribuição explica por que alguns núcleos parecem ter uma quantidade de "luz faltante" de baixa energia em comparação com outros; a luz não desapareceu, ela simplesmente mudou para uma faixa de energia diferente.

O estudo também abordou os limites destes modelos. Em núcleos onde o número de prótons e nêutrons é quase igual, a emissão de luz de baixa energia é fortemente suprimida devido à conservação de uma propriedade chamada isospin, que atua como uma espécie de equilíbrio interno entre os dois tipos de partículas. Nestes casos específicos, o esperado pico de baixa energia falha em aparecer, sendo substituído por uma região plana e fraca. Além disso, embora as simulações computacionais tenham reproduzido com sucesso as tendências gerais observadas em experimentos, elas às vezes subestimaram a quantidade total de luz emitida, sugerindo que os modelos, embora poderosos, ainda perdem algumas interações sutis entre as partículas.

Em última análise, este trabalho fornece uma imagem unificada de como os núcleos atômicos liberam sua energia. Ele confirma que a emissão de raios gama não é um processo estático, mas um que evolui com a forma e a composição do núcleo. A transição de uma emissão de pico único simples em núcleos esféricos para uma estrutura de dois picos complexa em núcleos deformados é uma característica robusta da física nuclear, impulsionada pela divisão dos níveis de energia e pela mistura caótica dos estados das partículas. Ao esclarecer estes mecanismos, os pesquisadores ofereceram uma janela mais clara para o mundo quântico, mostrando como a dança coletiva de prótons e nêutrons determina a própria luz que escapa do núcleo atômico.