Se ha reunido una combinación sin precedentes de física nuclear experimental y técnicas de modelado teórico y computacional para revelar el alcance total del escalonamiento de formas pares e impares de isótopos exóticos de mercurio. y explicar cómo sucede. El resultado, de un equipo internacional de la instalación de física nuclear de ISOLDE en el CERN1, publicado hoy en Física de la naturaleza , demuestra y explica un fenómeno exclusivo de los isótopos de mercurio donde la forma de los núcleos atómicos se mueve dramáticamente entre una pelota de fútbol y una pelota de rugby.

Los isótopos son formas de un elemento que contienen el mismo número de protones en sus núcleos pero diferente número de neutrones. Las propiedades de los diferentes isótopos pueden explotarse de diversas formas, incluida la datación arqueológica e histórica (carbono 14) y el diagnóstico médico. Los isótopos estables tienen una proporción óptima de protones a neutrones. Sin embargo, a medida que el número de neutrones aumenta o disminuye, Se requieren cambios estructurales en el núcleo y el isótopo típicamente se vuelve inestable. Esto significa que se transformará espontáneamente en un isótopo estable de otro elemento a través de la desintegración radiactiva. Los isótopos con relaciones extremas de neutrones a protones suelen tener una vida muy corta, haciéndolos difíciles de producir y estudiar en el laboratorio. ISOLDE es el único lugar del mundo que puede estudiar una gama tan amplia de isótopos exóticos.

Uno de los primeros experimentos en la instalación de ISOLDE observó por primera vez una dramática forma nuclear en la cadena de isótopos de mercurio. Ese resultado de más de 40 años mostró que aunque la mayoría de los isótopos con números de neutrones entre 96 y 136 tienen núcleos esféricos, aquellos con 101, 103 y 105 neutrones tienen núcleos fuertemente alargados, la forma de pelotas de rugby. Ese descubrimiento sigue siendo uno de los principales resultados de ISOLDE, pero era tan dramático que era difícil de creer.

En este nuevo resultado, el equipo experimental utilizó espectroscopia de ionización láser, técnicas de espectrometría de masas y espectroscopía nuclear para ver más de cerca cómo, por qué y cuándo tienen lugar estas transiciones de fase cuántica. El equipo no solo reprodujo los resultados del experimento histórico (observando isótopos hasta Mercurio 181), produciendo y estudiando cuatro isótopos exóticos adicionales (177-180), También descubrió el punto en el que cesa el escalonamiento de la forma y los isótopos de mercurio vuelven al comportamiento isotópico normal. Varias teorías habían intentado describir lo que estaba sucediendo, pero ninguno pudo dar una explicación completa.

"Debido a la extrema dificultad para producir núcleos tan exóticos, así como el desafío computacional de modelar un sistema tan complejo, Las razones de este fenómeno de asombro de forma seguían sin estar claras, "explica Bruce Marsh." Es sólo ahora, con nuevos desarrollos de la fuente de iones láser de ionización por resonancia de ISOLDE (RILIS), y uniendo fuerzas con otros equipos de ISOLDE, que hemos podido examinar la estructura nuclear de estos isótopos ".

Estas observaciones experimentales fueron en sí mismas sobresalientes, pero la colaboración quería concluir la historia explicando teóricamente el efecto de asombro de forma. Usando una de las supercomputadoras más poderosas del mundo, Los teóricos de Japón realizaron los cálculos de modelos de proyectiles nucleares más ambiciosos hasta la fecha.

Estos cálculos identificaron los componentes microscópicos que impulsan el cambio de forma; específicamente, que cuatro protones se excitan más allá de un nivel predicho por las expectativas de cómo se comportan otros isótopos estables en el paisaje nuclear. Estos cuatro protones se combinan con ocho neutrones y esto impulsa el cambio a la forma nuclear alargada. De hecho, ambas formas nucleares son posibles para cada isótopo de mercurio, dependiendo de si está en el suelo o en estado excitado, pero la mayoría tiene un núcleo en forma de balón de fútbol en su estado fundamental. La sorpresa es que Nature elige la forma alargada de la pelota de rugby como estado fundamental para tres de los isótopos.

"El ingenio y la innovación son características de la comunidad ISOLDE y la generación y medición del conjunto de isótopos de mercurio es un ejemplo particularmente hermoso, "dijo Eckhard Elsen, Director de Investigación e Informática del CERN. "Estoy aún más impresionado de que la explicación teórica del comportamiento desconcertante utilizando el modelado de supercomputadoras se haya proporcionado al mismo tiempo".