Το πρώτο αποτέλεσμα από τον επιταχυντή HIE-ISOLDE ρίχνει φως στους διπλά μαγικούς πυρήνες με διευθέτηση νουκλεονίων σε πλήρη κελύφη

Οι φυσικοί δεν είναι μάγοι, όμως όταν αναφέρονται σχετικά με το πώς πρωτόνια και νετρόνια διευθετούνται στους ατομικούς πυρήνες και είναι σίγουρο ότι θα ακουστεί ο όρος μαγεία. Ακριβώς όπως τα ηλεκτρόνια γεμίζουν μια σειρά από κελύφη, σαν το κρεμμύδι, διαφορετικών ενεργειών γύρω από έναν ατομικό πυρήνα, τα πρωτόνια και τα νετρόνια θεωρείται ότι καταλαμβάνουν μια σειρά από κελύφη μέσα στον πυρήνα. Σε αυτό το μοντέλο πυρηνικού κελύφους, οι πυρήνες στους οποίους πρωτόνια ή νετρόνια σχηματίζουν πλήρη κελύφη, χωρίς να αφήνουν καθόλου χώρο για περισσότερα σωματίδια, αποκαλούνται μαγικοί επειδή είναι περισσότερο σταθεροί από ότι οι πυρηνικοί τους γείτονες. Οι πυρήνες με πλήρη κελύφη πρωτονίων και νετρονίων αποκαλούνται διπλά μαγικοί και είναι εξαιρετικά σταθεροί.

Σε μελέτη που δημοσιεύεται στο Physical Review Letters, μια ομάδα ερευνητών, εργαζόμενοι για τις συνεργασίες MINIBALL και HIE-ISOLDE στο CERN, παρέχουν την πρώτη άμεση απόδειξη ότι ο πυρήνας κασσιτέρου, κασσίτερος-132 (132-Sn), ο οποίος θεωρείται ότι είναι διπλά μαγικός, πραγματικά αξίζει αυτή την ειδική θέση. Το αποτέλεσμα είναι το πρώτο που προέκυψε από τον γραμμικό επιταχυντή HIE-ISOLDE (High-Intensity and Energy upgrade of ISOLDE), που πρόσφατα άρχισε να λειτουργεί και δείχνει ότι ο επιταχυντής αυτός είναι μια βασική εγκατάσταση για τη διαλεύκανση των εσωτερικών λειτουργιών των ατομικών πυρήνων.

Ο πυρήνας 132-Sn έχει 132 νουκλεόνια – 50 πρωτόνια και 82 νετρόνια – και είναι ένα από τα μόνο 10 είδη, έξω από τους 3200 γνωστούς πυρήνες, που πληρούν τις προϋποθέσεις ως διπλά μαγικά και δρουν ως σημεία αναφοράς για τον έλεγχο του μοντέλου του πυρηνικού κελύφους. Επί πλέον, στο πυρηνικό διάγραμμα, το οποίο οργανώνει όλους τους γνωστούς πυρήνες σύμφωνα με τον αριθμό πρωτονίων και νετρονίων, ο 132-Sn είναι πλησιέστερα στους πυρήνες που θεωρείται ότι παράγονται σε μια αστροφυσική διαδικασία, την r-διαδικασία, υπεύθυνη για τη δημιουργία βαρέων στοιχείων στον κόσμο. Η διαδικασία αυτή δεν είναι πλήρως κατανοητή, έτσι η μελέτη του 132-Sn θα μπορούσε να ρίξει φως στην προέλευση των βαρέων στοιχείων στον κόσμο.

Οι προηγούμενες μελέτες που εξερευνούσαν τη διπλά μαγική φύση του 132-Sn ήταν έμμεσες, επάγοντας τη διπλά μαγική φύση του 132-Sn με τη μελέτη των ιδιοτήτων των γειτονικών του πυρήνων. Σε αυτή τη νέα μελέτη, η ομάδα HIE-ISOLDE/MINIBALL εξέτασε τον 132-Sn άμεσα. Η ομάδα πήρε ισότοπα του 132-Sn που παρήχθησαν από τις εγκαταστάσεις ISOLDE, τα επιτάχυνε στον HIE-ISOLDE σε μια ενέργεια των 5,49 MeV ανά νουκλεόνιο και τα εστίασε σε ένα στόχο μολύβδου-206 (206-Pb) μέσα στη συστοιχία ανιχνευτών ακτίνων-γ. Αυτό διέγειρε τα νουκλεόνια στους πυρήνες 132-Sn σε υψηλότερες ενεργειακές καταστάσεις. Αυτές οι ομαδικές διεγέρσεις, που έχουν χαμηλές πιθανότητες να συμβούν, αποσβέστηκαν με εκπομπή φωτονίων ακτίνων-γ, τα οποία ανίχνευσε το MINIBALL.

Αναλύοντας τον αριθμό των φωτονίων ακτίνων-γ που ανιχνεύθηκαν, οι συγγραφείς μέτρησαν την ισχύ αυτών των διεγέρσεων για πρώτη φορά. Από αυτή την ισχύ, βρήκαν περισσότερο έντονες διεγέρσεις στο 132-Sn σε σύγκριση με αυτές των γειτονικών του πυρήνων. Αυτό προβλέφθηκε από την θεωρία και είναι ένα κρίσιμο χαρακτηριστικό των διπλά μαγικών πυρήνων. Έτσι επιβεβαιώνεται η διπλά μαγική φύση του 132-Sn.

Όπως αναφέρθηκε από μέλος της συνεργασίας MINIBALL, τα αποτελέσματα αυτά έγιναν δυνατά μόνο χάρη σε ένα μοναδικό συνδυασμό: της διάταξης για την παραγωγή ραδιενεργών ισοτόπων ISOLDE, του νέου επιταχυντή HIE-ISOLDE, ο οποίος παρέχει την ιδεατή ενέργεια ανά νουκλεόνιο για αυτό το τύπο του πειράματος και τον MINIBALL, ο οποίος μπορεί να ανιχνεύσει ακτίνες-γ από την απόσβεση των διεγέρσεων με υψηλή απόδοση και καλύτερη ενεργειακή ανάλυση.

Οι ερευνητές επίσης συνέκριναν την παρατηρούμενη ισχύ με διάφορους υπολογισμούς νέου υπερσύγχρονου θεωρητικού μοντέλου κελύφους για το 132-Sn, βρίσκοντας μια αξιοσημείωτη συμφωνία μεταξύ των παρατηρήσεων και όλων των υπολογισμών. Αυτό ενισχύει περαιτέρω το συμπέρασμα ότι το 132-Sn είναι διπλά μαγικό.