Timothy Gray, do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia, liderou um estudo que pode ter revelado uma mudança inesperada na forma de um núcleo atômico. A descoberta surpreendente pode afetar nossa compreensão do que mantém os núcleos juntos, como prótons e nêutrons interagem e como os elementos se formam.

“Usamos feixes radioativos de núcleos excitados de sódio-32 para testar nossa compreensão de formas nucleares longe da estabilidade e encontramos um resultado inesperado que levanta questões sobre como as formas nucleares evoluem”, disse Gray, um físico nuclear. Os resultados são publicados na Physical Review Letters .

As formas e energias dos núcleos atômicos podem mudar ao longo do tempo entre diferentes configurações. Normalmente, os núcleos vivem como entidades quânticas que têm formas esféricas ou deformadas. Os primeiros se parecem com bolas de basquete e os últimos se assemelham a bolas de futebol americanas.

Como formas e níveis de energia se relacionam é uma grande questão em aberto para a comunidade científica. Os modelos de estrutura nuclear têm problemas para extrapolar para regiões com poucos dados experimentais.

Para alguns núcleos radioativos exóticos, as formas previstas pelos modelos tradicionais são opostas às observadas. Núcleos radioativos que deveriam ser esféricos em seus estados fundamentais, ou configurações de energia mais baixa, acabaram sendo deformados.

Em princípio, a energia de um estado deformado excitado pode cair abaixo de um estado fundamental esférico , tornando a forma esférica a de alta energia. Inesperadamente, essa inversão de papéis parece estar acontecendo para alguns núcleos exóticos quando a proporção natural de nêutrons para prótons se torna desequilibrada. No entanto, os estados esféricos excitados pós-reversão nunca foram encontrados. É como se, uma vez que o estado fundamental se deformasse, todos os estados excitados também o fizessem.

Existem muitos exemplos de núcleos com estados fundamentais esféricos e estados excitados deformados. Da mesma forma, muitos núcleos têm estados fundamentais deformados e estados excitados subsequentes que também são deformados – às vezes com diferentes quantidades ou tipos de deformação. No entanto, núcleos com estados fundamentais deformados e estados esféricos excitados são muito mais elusivos.

Usando dados coletados em 2022 do primeiro experimento no Facility for Rare Isotope Beams, ou FRIB, uma instalação do DOE Office of Science na Michigan State University, a equipe de Gray descobriu um estado excitado de longa duração de sódio-32 radioativo. O recém-observado estado excitado tem uma vida extraordinariamente longa de 24 microssegundos – cerca de um milhão de vezes mais do que um típico estado nuclear excitado.

Estados excitados de longa duração são chamados de isômeros. Uma vida longa indica que algo imprevisto está acontecendo. Por exemplo, se o estado excitado for esférico, uma dificuldade em retornar a um estado fundamental deformado pode explicar sua longa vida.

O estudo envolveu 66 participantes de 20 universidades e laboratórios nacionais. Os coinvestigadores principais vieram do Lawrence Berkeley National Laboratory, Florida State University, Mississippi State University, University of Tennessee, Knoxville e ORNL.

O experimento de 2022 que gerou os dados usados ??para o resultado de 2023 empregou o iniciador FRIB Decay Station, ou FDSi, um sistema multidetector modular extremamente sensível a assinaturas raras de decaimento de isótopos.

"A combinação versátil de detectores do FDSi mostra que o estado excitado de longa duração do sódio-32 é entregue dentro do feixe FRIB e que então decai internamente emitindo raios gama para o estado fundamental do mesmo núcleo", disse Mitch Allmond do ORNL, um co-autor do artigo que gere o projeto FDSi.

Para interromper o feixe radioativo altamente energético do FRIB, que viaja a cerca de 50% da velocidade da luz, um detector de implantação construído pela UT Knoxville foi posicionado no centro do FDSi. Ao norte da linha de feixe havia um conjunto de detectores de raios gama chamado DEGAi, composto por 11 detectores de estilo trevo de germânio e 15 detectores de brometo de lantânio de tempo rápido. Ao sul da linha do feixe estavam 88 módulos de um detector chamado NEXTi para medir o tempo de voo dos nêutrons emitidos no decaimento radioativo.

Um feixe de núcleos excitados de sódio-32 parou no detector e decaiu para o estado fundamental deformado emitindo raios gama. A análise dos espectros de raios gama para discernir a diferença de tempo entre a implantação do feixe e a emissão de raios gama revelou quanto tempo existiu o estado excitado. A existência de 24 microssegundos do novo isômero foi o tempo de vida mais longo visto entre os isômeros com 20 a 28 nêutrons que decaem por emissão de raios gama. Aproximadamente 1,8% dos núcleos de sódio-32 foram observados como sendo o novo isômero.

“Podemos apresentar dois modelos diferentes que explicam igualmente bem as energias e o tempo de vida que observamos no experimento”, disse Gray.

Um experimento com maior potência de feixe é necessário para determinar se o estado excitado no sódio-32 é esférico. Se for, o estado teria seis unidades quantizadas de momento angular, que é uma qualidade de um núcleo relacionada à rotação de seu corpo inteiro ou ao movimento orbital de seus prótons e/ou nêutrons individuais em torno do centro de massa. No entanto, se o estado excitado no sódio-32 for deformado, então o estado teria zero unidades quantizadas de momento angular.

Uma atualização planejada para FRIB fornecerá mais energia, aumentando o número de núcleos no feixe. Os dados do feixe mais intenso permitirão um experimento que distingue entre as duas possibilidades.

"Nós caracterizaríamos correlações entre os ângulos de dois raios gama que são emitidos em cascata", disse Gray. "As duas possibilidades têm correlações angulares muito diferentes entre os raios gama. Se tivermos estatísticas suficientes, poderíamos desvendar o padrão que revela uma resposta clara."