Los tamaños y formas de núcleos con más de 100 protones eran hasta ahora inaccesibles experimentalmente. La espectroscopia láser es una técnica establecida para medir las propiedades fundamentales de los átomos exóticos y sus núcleos. Por primera vez, esta técnica ahora se extendió para medir con precisión la excitación óptica de los niveles atómicos en la capa atómica de tres isótopos del elemento pesado nobelio, que contienen 102 protones en sus núcleos y no se producen de forma natural. Así lo informó un equipo internacional de científicos de GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU), el Helmholtz Institute Mainz (HIM), TU Darmstadt, KU Leuven en Bélgica, la Universidad de Liverpool en el Reino Unido y TRIUMF en Vancouver, Canadá. Pueden producirse núcleos de elementos pesados ​​en cantidades diminutas de unos pocos átomos por segundo en reacciones de fusión utilizando potentes aceleradores de partículas. Los resultados obtenidos están bien descritos por modelos nucleares, lo que sugiere que los núcleos tienen una estructura similar a una burbuja con menor densidad en su centro que en su superficie. Los resultados se publicaron en un artículo reciente en Cartas de revisión física .

Los átomos consisten en un núcleo cargado positivamente rodeado por una capa de electrones. Los electrones internos penetran el volumen del núcleo y, por lo tanto, las energías a nivel atómico están influenciadas por el tamaño y la forma del núcleo atómico. Una diferencia en el tamaño de dos núcleos atómicos diferentes resultando, por ejemplo, de un número diferente de neutrones da como resultado un pequeño cambio en los niveles de energía electrónica. Es posible realizar mediciones precisas de estas energías utilizando luz láser. Los cambios de energía se rastrean variando la frecuencia y, en consecuencia, el color de la luz necesaria para excitar los electrones a niveles de energía más altos. Hasta aquí, este método sólo podría aplicarse a isótopos de elementos más ligeros que se producen a mayores tasas de producción y cuya estructura atómica ya se conocía a partir de experimentos con abundantes isótopos estables o de larga duración. Núcleos de elementos por encima del fermio (Fm, Z =100) se pueden producir en cantidades diminutas de unos pocos átomos por segundo en reacciones de fusión y generalmente existen solo durante unos pocos segundos como máximo. Por lo tanto, su estructura atómica hasta ahora no era accesible con métodos espectroscópicos láser.

En los experimentos actuales, Los isótopos de nobelio se produjeron mediante la fusión de iones de calcio con plomo en el filtro de velocidad SHIP en la instalación de aceleración de GSI. Para habilitar la espectroscopia láser, los átomos de nobelio de alta energía se detuvieron en gas argón. Los resultados se basan en un experimento anterior también realizado en GSI, explorando las transiciones atómicas del nobelio (No). El elemento químico con número atómico 102 fue descubierto hace unos 60 años. El experimento reciente investigó los isótopos No-254, No-253, y No-252, que difieren en el número de neutrones constituyentes en sus núcleos, con espectroscopia láser. Las velocidades disponibles para el experimento alcanzaron valores por debajo de un ion por segundo para el isótopo No-252.

A partir de las mediciones de la frecuencia de excitación de los isótopos individuales, se determinó el cambio de color de la luz láser requerida para el No-252 y el No-254. Para el No-253, También se resolvió la fragmentación de la línea en varios componentes hiperfinos inducida por el único neutrón impar desapareado. Los tamaños y las formas de los núcleos atómicos se dedujeron utilizando cálculos teóricos de la estructura atómica del nobelio, que se llevaron a cabo en colaboración con científicos del Instituto Helmholtz de Jena en Alemania, la Universidad de Groningen en los Países Bajos, y la Universidad de Nueva Gales del Sur en Sydney, Australia. Los resultados confirman que los isótopos de nobelio no son esféricos sino que están deformados como una pelota de fútbol americano. El cambio de tamaño medido es consistente con los cálculos del modelo nuclear realizados por científicos de GSI y de la Universidad Estatal de Michigan en los EE. UU. Estos cálculos predicen que los núcleos estudiados presentan una menor densidad de carga en su centro que en su superficie.

Gracias a estos estudios pioneros, se podrá acceder a más nucleidos pesados ​​para las técnicas de espectroscopia láser, permitiendo una investigación sistemática de los cambios de tamaño y forma en la región de los núcleos pesados. Hasta ahora, estos experimentos solo son posibles en GSI y permiten una comprensión profunda única de la estructura atómica y nuclear de los elementos más pesados. Los resultados también influyen en la futura instalación FAIR (Instalación para la investigación de antiprotones e iones), que se encuentra actualmente en construcción en GSI. Las mismas técnicas y métodos también podrían emplearse en la rama de baja energía del separador de superfragmentos de FAIR.