Low-energy collective structure of $^{92,94}$Zr and $^{94}$Mo from ($e,e^{\prime}$) and ($p,p^{\prime}$) scattering I. Experimental results

No coração de cada átomo, prótons e nêutrons não ficam simplesmente parados; eles se movem em um ritmo coletivo e complexo. Embora muitas vezes imaginemos essas partículas como pontos individuais, em muitos núcleos atômicos elas se comportam mais como um fluido, oscilando juntas em padrões específicos. Os físicos há muito entendem que esses movimentos de oscilação vêm em dois sabores principais. No tipo mais comum, os prótons e nêutrons movem-se em perfeita uníssono, como uma multidão única e unificada marchando no mesmo passo. Isso é conhecido como um estado totalmente simétrico. No entanto, existe um padrão mais sutil e esquivo onde os prótons e nêutrons se movem um contra o outro, como dois grupos em um cabo de guerra que ainda fazem parte da mesma equipe. Isso é chamado de estado de simetria mista. Encontrar e confirmar esses estados de simetria mista é crucial porque eles revelam a natureza específica da força que une o núcleo atômico, atuando como um teste sensível para nossas teorias sobre como a matéria é construída em seu nível mais fundamental.

Para vislumbrar esses padrões ocultos, uma equipe de pesquisadores voltou sua atenção para um grupo específico de núcleos atômicos: zircônio-92, zircônio-94, molibdênio-94, molibdênio-96 e zinco-70. Estas não são escolhas aleatórias; são núcleos que situam-se logo fora das "camadas fechadas" estáveis onde prótons e nêutrons costumam se empacotar ordenadamente, tornando-os laboratórios ideais para o estudo desses movimentos coletivos. Os cientistas não observaram esses núcleos com uma única ferramenta. Em vez disso, dispararam dois tipos diferentes de projéteis contra eles: elétrons de alta velocidade e prótons de alta velocidade. Os elétrons, sendo leves e eletricamente carregados, interagem com o núcleo principalmente através da força elétrica, fornecendo uma imagem clara de como os prótons se movem. Os prótons, sendo mais pesados e interagindo através da força nuclear forte, proporcionam uma visão diferente que inclui como os nêutrons se movem. Ao comparar os resultados desses dois experimentos tão diferentes, os pesquisadores puderam separar o movimento dos prótons do movimento dos nêutrons, efetivamente ouvindo os dois lados do núcleo falarem em vozes diferentes.

Os experimentos ocorreram em instalações especializadas na Alemanha e na África do Sul. A equipe bombardeou finas folhas metálicas dos núcleos-alvo com feixes de elétrons e prótons, medindo cuidadosamente os ângulos nos quais as partículas se espalharam após atingirem o núcleo. Quando uma partícula ricocheteia, o ângulo de seu ricochete depende da forma e da natureza da vibração dentro do núcleo. Os pesquisadores coletaram vastas quantidades de dados, mapeando a frequência com que as partículas se espalhavam em diferentes ângulos para dezenas de estados excitados dentro desses núcleos. Eles então compararam esses padrões de espalhamento do mundo real contra cálculos teóricos que previam como um núcleo se comportaria se estivesse vibrando de uma determinada maneira. Essa comparação permitiu que atribuíssem um "spin" e uma "paridade" a cada estado excitado, que são essencialmente rótulos descrevendo o tipo de rotação e simetria da vibração.

Os resultados forneceram um mapa detalhado da estrutura de baixa energia desses núcleos. A equipe identificou com sucesso muitos estados que já eram conhecidos, confirmando sua natureza como vibrações totalmente simétricas onde prótons e nêutrons se movem juntos. Mais importante ainda, identificaram possíveis candidatos para os esquivos estados de simetria mista e forneceram os dados experimentais necessários para sua confirmação. Por exemplo, no núcleo do zircônio-94, identificaram um estado excitado específico que é um candidato a um estado de simetria mista, observando que ele mostra uma diferença distinta em como os prótons e nêutrons contribuem para a vibração. Da mesma forma, no molibdênio-94, localizaram um estado que era suspeito de ser um estado de simetria mista, e seus novos dados sobre como ele espalha prótons e elétrons apoiam essa identificação. O estudo também observou vibrações de maior energia, como aquelas envolvendo formas octupolares, que são mais complexas do que simples esmagamentos e estiramentos, e encontrou evidências tanto para versões simétricas quanto potencialmente de simetria mista destas também.

O que torna este trabalho particularmente significativo é o método utilizado para reunir dados para a confirmação desses estados. Em vez de depender apenas de como o núcleo decai ou emite luz, o que pode ser por vezes ambíguo, os pesquisadores usaram a comparação direta do espalhamento de elétrons e prótons para observar as densidades de transição. Esta é uma medida de como a distribuição de prótons e nêutrons muda durante a vibração. Em um estado totalmente simétrico, os prótons e nêutrons mudam sua distribuição da mesma forma. Em um estado de simetria mista, eles mudam de formas opostas. Ao mostrar que os dados experimentais se ajustam às previsões para esses movimentos opostos, a equipe estabeleceu a base para uma assinatura nova e robusta para identificar esses estados. Essa abordagem ajuda a resolver debates de longa data sobre a existência de certos tipos de vibrações nesses núcleos, particularmente aqueles com spins mais altos que eram difíceis de classificar anteriormente, com a análise completa e a identificação final apresentadas em um artigo complementar.

O estudo não apenas confirmou o que já era conhecido; também esclareceu incertezas. Em alguns casos, onde experimentos anteriores sugeriram que um estado poderia ser uma mistura de diferentes tipos, os novos dados permitiram uma atribuição mais clara. Por exemplo, no zinco-70, a equipe examinou um dubleto de estados próximo a 3044 keV; embora outros experimentos tivessem identificado um estado 5-, os novos dados de distribuição angular foram melhor descritos assumindo um dubleto de um estado 2+ e um 5-, embora as atribuições de spin definitivas para os componentes individuais tenham permanecido desafiadoras em algumas regiões sobrepostas. Eles também descobriram que, em alguns núcleos mais pesados como o molibdênio-96, os níveis de energia são tão congestionados que os estados individuais são mais difíceis de distinguir, mas ainda assim foram capazes de extrair informações significativas sobre o comportamento coletivo dos prótons e nêutrons. O trabalho serve como um passo fundamental, fornecendo os dados experimentais necessários para que modelos teóricos mais complexos sejam testados. Ao estabelecer uma imagem clara de como esses núcleos vibram, a pesquisa aprofunda nossa compreensão da força nuclear e da intrincada dança de prótons e nêutrons que mantém a matéria do universo unida.