Los científicos del PAN de la FIP junto con colegas de la Universidad de Milán (Italia) y otros países confirmaron la necesidad de incluir las interacciones de tres nucleones en la descripción de las transiciones electromagnéticas en el ²⁰ O núcleo atómico. Vital para validar los cálculos teóricos modernos de la estructura nuclear fue la aplicación de sistemas detectores de rayos gamma de última generación y la técnica recientemente desarrollada para medir la vida útil de femtosegundos en núcleos exóticos producidos en reacciones inelásticas profundas de iones pesados.

Los núcleos atómicos constan de nucleones:protones y neutrones. Los protones y neutrones son sistemas de quarks y gluones unidos por fuertes interacciones nucleares. La física de los quarks y gluones se describe mediante cromodinámica cuántica (QCD), por lo que podríamos esperar que las propiedades de las fuerzas nucleares también resulten de esta teoría. Desafortunadamente, a pesar de muchos intentos, La determinación de las características de interacciones fuertes basadas en QCD enfrenta enormes dificultades computacionales. Sin embargo, Se sabe relativamente mucho sobre las propiedades de las fuerzas nucleares; este conocimiento se basa en muchos años de experimentación. También se desarrollaron modelos teóricos que pueden reproducir las propiedades básicas de las fuerzas que actúan entre un par de nucleones; hacen uso de los llamados potenciales de interacción nucleón-nucleón efectivos.

Conociendo los detalles de la interacción entre dos nucleones, esperaríamos que la descripción de la estructura de cualquier núcleo atómico no sea un problema. Asombrosamente, resulta que cuando se agrega un tercer nucleón al sistema de dos nucleones, la atracción entre los dos nucleones iniciales aumenta. Que sigue, la fuerza de la interacción entre los componentes de cada par de nucleones en el sistema de tres cuerpos aumenta; aparece una fuerza adicional que parece no existir en el caso de un par aislado. Esta desconcertante contribución se llama fuerza irreducible de tres nucleones.

Esta situación resultó ser una inspiración para los científicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia y sus colegas de la Universidad de Milán. Se dieron cuenta de que una prueba perfecta para la presencia de interacciones de tres nucleones en los núcleos podría ser determinar la vida útil de estados excitados seleccionados en isótopos de oxígeno y carbono ricos en neutrones. Como resultado de análisis detallados, nació el concepto de un experimento, cuyos coordinadores fueron la Prof. Silvia Leoni de la Universidad de Milán y el Dr. Michal Ciemala y el Prof. Bogdan Fornal de IFJ PAN. Los investigadores que trabajan en el laboratorio francés GANIL en Caen y otras instituciones de investigación de todo el mundo también fueron invitados a cooperar en este proyecto.

"El experimento se centró en determinar la vida útil de estados nucleares excitados para isótopos de oxígeno y carbono ricos en neutrones, ^dieciséis C y ²⁰ Oh "explica el profesor Fornal." En estos núcleos, aparecen los estados excitados, que parecen ser particularmente sensibles a la inclusión en los cálculos de la interacción de tres cuerpos (nucleón-nucleón-nucleón-NNN) además de la interacción nuclear de dos cuerpos (nucleón-nucleón-NN). En el caso de la ²⁰ Oh núcleo, la vida útil del segundo estado excitado 2+, calculado solo para la interacción NN, debe ser de 320 femtosegundos, teniendo en cuenta las interacciones NN y NNN, los cálculos dan el resultado de 200 femtosegundos. Durante la vida del segundo estado 2+ en ^dieciséis C, la diferencia es aún mayor:370 femtosegundos (NN) versus 80 femtosegundos (NN + NNN) ".

El experimento dedicado a medir la vida útil se llevó a cabo en el centro de investigación GANIL en Caen, Francia. Los científicos utilizaron detectores de radiación gamma (AGATA y PARIS) conectados a un espectrómetro magnético (VAMOS). La reacción de un haz de 18O con una diana de 181Ta generó núcleos atómicos excitados de elementos como B, C, NORTE, O y F como resultado de procesos de transferencia de nucleones o dispersión inelástica profunda. En los núcleos móviles investigados, los estados cuánticos excitados decayeron por la emisión de fotones de alta energía, cuya energía se desplazó en comparación con la energía de las transiciones en el marco de descanso. Este cambio depende de la velocidad del núcleo emisor de fotones y del ángulo de emisión. Este fenómeno se describe mediante la fórmula Doppler relativista.

Para vidas a nivel nuclear más cortas que el tiempo de vuelo del núcleo excitado a través del objetivo (alrededor de 300 femtosegundos), La emisión cuántica gamma ocurre principalmente cuando el núcleo todavía está en el objetivo. En el caso descrito, los científicos midieron la velocidad del núcleo después de atravesar el objetivo. Usando esta velocidad para corregir el espectro de energía de radiación gamma, Las líneas espectrales obtenidas tienen la forma correspondiente a la distribución gaussiana para los casos en que la vida útil del estado excitado es larga. Para vidas de 100 a 200 femtosegundos, las líneas espectrales muestran un componente asimétrico y para vidas de menos de 100 femtosegundos están completamente desplazadas a energías más pequeñas.

"Para determinar la vida útil, realizamos simulaciones y comparamos sus resultados con el espectro medido de energía de radiación gamma, "dice el Dr. Ciemala, el autor del concepto de medición del tiempo de desintegración del estado nuclear utilizado en el experimento. "En estos estudios, El método descrito anteriormente se aplicó por primera vez para determinar el tiempo de vida de los estados excitados en núcleos producidos en reacciones inelásticas profundas. Requería el desarrollo de códigos de simulación avanzados de Monte Carlo que incluían cinemática de reacción y reproducían las distribuciones de velocidad medidas de los productos de reacción. El método utilizado, junto con los sistemas de detección aplicados, trajo resultados muy satisfactorios ".

La investigación descrita permitió por primera vez a los científicos medir la vida útil de decenas y cientos de femtosegundos de un estado nuclear creado en una reacción profundamente inelástica; en el caso descrito, fue el segundo estado 2+ en el ²⁰ O núcleo para el que se obtuvo una vida útil de 150 femtosegundos. La validez del nuevo método se demostró al determinar la vida útil de los estados excitados en el ¹⁹ Oh núcleo que concordaba perfectamente con los datos de la literatura. Es necesario enfatizar que la vida útil del segundo estado 2+ en ²⁰ Oh obtenido en este trabajo, está de acuerdo con las predicciones teóricas solo si se tienen en cuenta las interacciones de dos y tres cuerpos al mismo tiempo. Esto lleva a la conclusión de que las cantidades de medición proporcionadas por las transiciones electromagnéticas y obtenidas mediante espectroscopia gamma precisa pueden ser muy buenas sondas para evaluar la calidad de los cálculos ab initio de la estructura nuclear.

"Este procedimiento pionero desarrollado nos ayudará a medir la vida útil de los estados excitados para núcleos muy exóticos lejos del valle de la estabilidad". que se puede crear en reacciones inelásticas profundas utilizando haces radiactivos de alta intensidad, que pronto estará disponible, por ejemplo, en el INFN Laboratori Nazionali di Legnaro cerca de Padua en Italia, ", argumenta el profesor Fornal." La información obtenida será fundamental para la astrofísica nuclear y ciertamente contribuirá al progreso en la comprensión de la formación de núcleos atómicos en el proceso rápido de captura de neutrones en explosiones de supernovas o la fusión de estrellas de neutrones que se ha observado recientemente. midiendo las ondas gravitacionales en coincidencia con la radiación gamma ".