Medir o tamanho dos núcleos ata´micos a s vezes tem sido útil para investigar aspectos da interação núcleo-núcleo e as propriedades de massa da matéria nuclear. O raio de carga dos núcleos ata´micos, que podem ser extraa­dos usando técnicas de espectroscopia a laser, ésensa­vel tanto a s propriedades da matéria nuclear quanto aos detalhes sutis das interações entre pra³tons e naªutrons.

Muitos estudos recentes examinaram, portanto, as propriedades dos núcleos com relações pra³ton- naªutron desequilibradas , conhecidas como núcleos exa³ticos. Descobriu-se que esses núcleos exa³ticos exibem novos fena´menos e, portanto, tem se mostrado valiosos para testar a teoria nuclear e melhorar a compreensão atual das forças nucleares.

Entre outras coisas, examinar núcleos exa³ticos pode ajudar a identificar novos números ma¡gicos. Nesse contexto, o termo 'números ma¡gicos' se refere ao número de pra³tons ou naªutrons que correspondem a camadas completamente preenchidas nesses núcleos.

Uma equipe de pesquisa liderada por fa­sicos do Instituut voor Kern-en Stralingsfysica, KU Leuven, na Banãlgica e pela Universidade de Pequim, na China, realizou recentemente um estudo examinando isãotopos de pota¡ssio exa³ticos com 32 naªutrons, que foi previsto ser um número ma¡gico . Seu artigo, publicado na Nature Physics , apresenta evidaªncias que desafiam as teorias nucleares de ponta.

"O cara¡ter ma¡gico de um pra³ton ou número de naªutrons, entre outros, se reflete em um tamanho menor do núcleo ma¡gico, em comparação com seus vizinhos", disse Agota Koszorus, um dos pesquisadores que realizaram o estudo. "Existem vários números ma¡gicos bem conhecidos, como 2, 8 20 ou 28, no entanto, na regia£o de massa dos isãotopos de pota¡ssio, 32 foi proposto como um novo número de naªutrons ma¡gicos. O objetivo do nosso experimento era medir o raio de carga de o isãotopo de pota¡ssio que tem 33 naªutrons e permite a comparação do tamanho do isãotopo ma¡gico N = 32 proposto com seus vizinhos mais leves (N = 31) e mais pesados ​​( N = 33). "

Identificar novos números ma¡gicos tem sido o objetivo principal de muitos estudos recentes que investigam estruturas nucleares. Estudar isãotopos ricos em naªutrons como os examinados por Koszorus e seus colegas, no entanto, pode ser muito desafiador, por várias razaµes.

Em primeiro lugar, esses isãotopos são podem ser produzidos em instalações de feixes de a­ons radioativos como o ISOLDE no CERN. Além disso, eles geralmente tem meias-vidas muito curtas (por exemplo, 110 ms de comprimento no caso de 52 K). Isso significa que, uma vez produzidos, os pesquisadores tem um tempo muito limitado para prepara¡-los para as medições e realmente examina¡-los. No caso especa­fico do 52 K, um desafio adicional foi a grande contaminação isoba¡rica no feixe produzido no ISOLDE.

" N = 32 éum novo número ma¡gico de naªutrons proposto na regia£o de Ca com base na medição de massa nuclear e medição de energias 2+ ", disse Xiaofei Yang, outro pesquisador envolvido no estudo, ao Phys.org. "No entanto, este efeito ma¡gico ainda não foi confirmado a partir dos momentos nucleares ou medidas de raios devido a s informações experimentais limitadas na regia£o de Ca."

Koszorus, Yang e seus colegas foram os primeiros a estudar raios de carga acima de N = 32 e isso finalmente permitiu-lhes determinar se o "efeito ma¡gico" apareceu nos raios nucleares. Um outro objetivo de seu estudo foi investigar o progresso recente feito no desenvolvimento de modelos baseados na teoria nuclear.

"Mesmo que na instalação do ISOLDE os a­ons sejam selecionados em massa antes de serem entregues a s instalações experimentais, háum isãotopo de cromo esta¡vel com massa muito semelhante, que éabundante na natureza e no ambiente do local de produção do ISOLDE," Koszorus explicou. "Isso significava que, enquanto a cada segundo 200 isãotopos de 52 K eram entregues em nossa configuração experimental, 6 milhões de isãotopos de Cr esta¡veis ​​também eram entregues, o que resultou em taxas de fundo esmagadoras. Portanto, tivemos que modificar nossa configuração para contar com a detecção daspartículas beta emitidas no decaimento radioativo de 52 K. O Cr esta¡vel não poderia, portanto, contribuir para o fundo. "

Curiosamente, Koszorus, Yang e seus colegas não encontraram nenhum sinal de comportamento ma¡gico na evolução do tamanho nuclear do isãotopo de pota¡ssio atravanãs do número de naªutrons N = 32. Os investigadores compararam também as suas observações com os resultados de ca¡lculos baseados em modelos nucleares teóricos do estado da arte, nomeadamente o manãtodo do funcional da densidade de energia (DFT) e a teoria do cluster acoplado (CC).

"O DFT éum manãtodo ideal para núcleos mais pesados, enquanto o modelo CC émais adequado para núcleos de massa leve e média", disse Koszorus. "A regia£o do pota¡ssio éum ponto de encontro atraente para testar essas abordagens simultaneamente. Ambos os manãtodos teóricos precisam de informações sobre as interações nucleares. Para este propa³sito, modelos de estrutura nuclear de última geração foram aplicados: Os ca¡lculos DFT empregaram densidade de energia de Fayans altamente bem-sucedida os ca¡lculos funcionais e CC usaram o potencial quiral ab-initio. "

Os pesquisadores descobriram que os modelos teóricos previram com sucesso asmudanças nos raios de carga quadra¡tica média que observaram em isãotopos abaixo do número ma¡gico N = 28. Os modelos testados pareciam aºteis para modelar isãotopos com pra³tons e naªutrons desemparelhados.

"A partir da comparação entre asmudanças medidas e previstas nos raios de carga quadrada média, fica claro que os ca¡lculos funcionam muito bem na previsão da tendaªncia geral abaixo do número ma¡gico N = 28, assumindo com sucesso o desafio de modelar isãotopos com pra³tons desemparelhados e naªutrons ", disse Koszorus. "Olhando mais de perto, no entanto, torna-se aparente que os ca¡lculos de agrupamento acoplado ab initio falham em prever o aumento acentuado nos raios de carga dos isãotopos ricos em naªutrons."

Os pesquisadores levantaram a hipa³tese de que os problemas e inconsistaªncias entre os ca¡lculos do cluster acoplado e suas medições podem estar enraizados na natureza de muitos corpos do modelo CC. Por outro lado, enquanto o modelo Fayans DFT previu muito bem a tendaªncia geral que eles observaram, ele superestimou a variação entre o tamanho dos isãotopos de massa a­mpar e par.

No geral, essas descobertas sugerem que as teorias nucleares existentes podem precisar ser aperfeia§oadas antes que possam prever efetivamente os números ma¡gicos em isãotopos exa³ticos. Em outras palavras, parece que o conhecimento atual das propriedades nucleares e da estrutura dos isãotopos ricos em naªutrons ainda émuito limitado. No futuro, os manãtodos usados ​​por esta equipe de pesquisadores podera£o ser usados ​​para estudar outros isãotopos exa³ticos com curta duração.

"A história dos novos números ma¡gicos emergentes em torno dos isãotopos de pota¡ssio estãolonge de terminar, e outro número ma¡gico foi proposto no naªutron número 34", disse Koszorus. "O estudo desses núcleos requer uma eficiência experimental ainda maior, uma vez que os rendimentos de produção estãoabaixo de 100 a­ons por segundo. Estamos trabalhando continuamente em desenvolvimentos técnicos para melhorar nossa configuração experimental e em breve estaremos prontos para ultrapassar os limites ou o estado atual de - técnicas de última geração e testar nossa compreensão da estrutura nuclear de núcleos de isãotopos muito ricos em naªutrons . "

Um objetivo fundamental de muitos estudos contempora¢neos de física nuclear éexplorar os limites e propriedades dos núcleos ata´micos governados por forças nucleares, a fim de compreender melhor sua estrutura. Em seus pra³ximos estudos, Koszorus, Yang e seus colegas também planejam desenvolver técnicas de espectroscopia a laser cada vez mais avana§adas, pois podem ser usadas para examinar núcleos ata´micos com maior precisão e coletar medições mais confia¡veis.