Οι πυρηνικοί «μαγικοί αριθμοί» καταρρέουν πέρα από τον διπλά μαγικό (των 50 νετρονίων και 28 πρωτονίων) του νικελίου 78

Μια διεθνής συνεργασία επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο του Hong Kong, το Ινστιτούτο RIKEN, στην Ιαπωνία, και την CEA (αρχικά: Commissariat à l’énergie atomique, σήμερα: Le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives), στην Γαλλία, έδειξε ότι το 34 είναι ένας «μαγικός αριθμός» για τα νετρόνια, πράγμα που σημαίνει ότι ατομικοί πυρήνες με 34 νετρόνια είναι περισσότερο σταθεροί από ότι θα αναμένονταν κανονικά. Προηγούμενα πειράματα είχαν προταθεί, αλλά δεν επέδειξαν καθαρά, ότι αυτό θα μπορούσε να συμβεί.

Τα πειράματα, που δημοσιεύθηκαν στο Physical Review Letters, έγιναν χρησιμοποιώντας ασβέστιο 54, ένας ασταθής πυρήνας ο οποίος έχει 20 πρωτόνια και 34 νετρόνια. Μέσω των πειραμάτων, οι ερευνητές έδειξαν ότι εμφανίζει ισχυρά ολοκληρωμένη στοιβάδα, μια κατάσταση με νετρόνια που με παρόμοιο τρόπο όπως τα άτομα με ολοκληρωμένες ηλεκτρονιακές στοιβάδες, όπως το ήλιο και το νέον, είναι χημικώς αδρανή.

Ενώ κάποτε πιστεύονταν ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια βρισκόταν όλα μαζί σαν μια σούπα μέσα στους πυρήνες, τώρα είναι γνωστό ότι είναι οργανωμένα σε στοιβάδες. Με την πλήρη ολοκλήρωση μιας πυρηνικής στοιβάδας, που συχνά αναφέρεται ως «μαγικός αριθμός», οι πυρήνες εμφανίζουν διακριτά χαρακτηριστικά που μπορούν να ερευνηθούν στο εργαστήριο. Για παράδειγμα, μεγάλη ενέργεια για την πρώτη διεγερμένη κατάσταση ενός πυρήνα είναι ενδεικτικό ενός μαγικού αριθμού.

Πρόσφατες μελέτες πλουσίων σε νετρόνια πυρήνων έχουν αφήσει να εννοηθεί ότι νέοι αριθμοί χρειάζεται να προστεθούν στους γνωστούς, κανονικούς αριθμούς των 2, 8, 20, 28, 50, 82 και 126. [Ένας πυρήνας με 28 πρωτόνια και 50 νετρόνια έχει δυο μαγικούς αριθμούς, πράγμα που τον καθιστά διπλά μαγικό. Για παράδειγμα, το νικέλιο έχει έναν μαγικό αριθμό των 28 πρωτονίων όμως με πρόσθεση 50 νετρονίων γίνεται το διπλά μαγικό νικέλιο 78.]

Αρχικοί έλεγχοι σε ασβέστιο 54, με χρήση της ίδιας με το τωρινό πείραμα πειραματικής διάταξης το 2013, είχαν ήδη δείξει ότι ο αριθμός θα έπρεπε να υπάρχει. Κατά τη διάρκεια του νέου πειράματος, η έρευνα μετατόπισε την εστίαση προς τον προσδιορισμό της πραγματικής του ισχύος. Στο τρέχον πείραμα, η ομάδα γύρω από τον Sidong Chen, μέτρησε άμεσα τον αριθμό των νετρονίων που καταλαμβάνουν τις ξεχωριστές στοιβάδες στο ασβέστιο 54 με προσεκτική εκτίναξη των νετρονίων, ένα κάθε φορά.

Για να το κάνουν αυτό χρησιμοποίησαν δέσμη περιέχουσα ασβέστιο που κινείται με ταχύτητα περίπου 60% της ταχύτητας του φωτός, που συλλέχθηκε και αναγνωρίστηκε από διαχωριστή ισοτόπων και οδήγησαν στη σύγκρουση της δέσμης σε στόχο από πυκνό υγρό υδρογόνο, ή πρωτόνια, που ψύχθηκε στην τρομερά χαμηλή θερμοκρασία των 20 βαθμών Κέλβιν. Η λεπτομερής δομή της στοιβάδας του ισοτόπου τεκμαίρεται από τη διασταύρωση των νετρονίων που εκτινάσσονται καθώς συγκρούονται με τα πρωτόνια, επιτρέποντας τους ερευνητές να τα συνδέσουν με τις διάφορες στοιβάδες.

Σύμφωνα με τον Pieter Doornenbal από το Κέντρο Nishina για την Επιστήμη με βάση Επιταχυντή, του RIKEN, διάταξη του οποίου χρησιμοποιήθηκε για την πραγματοποίηση του τωρινού πειράματος, «για πρώτη φορά, μπορέσαμε να επιδείξουμε ποσοτικά ότι όλες οι στοιβάδες νετρονίων είναι τελείως συμπληρωμένες στο 54Ca και ότι 34 νετρόνια είναι πράγματι ένα καλός μαγικός αριθμός». Το εύρημα δείχνει ότι το 34 είναι μέρος ενός συνόλου μαγικών αριθμών, παρόλο που η εμφάνισή τους περιορίζεται σε μια πολύ περιορισμένη περιοχή του χάρτη των πυρήνων. Ο Sidong Chen συνεχίζει: «μεγαλύτερες προσπάθειες στο μέλλον θα εστιάσουν στη σκιαγράφηση αυτής της περιοχής.

Επιπλέον, για περισσότερο πλούσια σε νετρόνια συστήματα, όπως το 60Ca, προβλέπονται περαιτέρω μαγικοί αριθμοί. Αυτά τα «εξωτικά» συστήματα είναι σήμερα πέρα από τις δυνατότητες της πειραματικής διάταξης για λεπτομερείς μελέτες, όμως πιστεύουμε ότι χάρη στις αυξανόμενες δυνατότητές της, θα γίνουν προσπελάσιμα στο προβλέψιμο μέλλον».