Tecnologia Científica

O mapa de deformação nuclear assume a forma de uma paisagem montanhosa
A verificação positiva do modelo teórico usado nesses experimentos permite descrever as propriedades de núcleos indisponíveis em laboratórios da Terra.
Por Instituto Henryk Niewodniczanski de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências - 31/12/2020



Paisagem de deformação do núcleo de níquel-64. Prolado, mínimo local oblato e mínimo esférico principal são indicados por elipsóides vermelhos, verdes e azuis, respectivamente. (Fonte: IFJ PAN)

Até recentemente, os cientistas acreditavam que apenas núcleos muito massivos poderiam ter excitado estados de spin zero de estabilidade aumentada com uma forma significativamente deformada. Enquanto isso, uma equipe internacional de pesquisadores da Romênia, França, Itália, Estados Unidos e Polônia mostrou em seu último artigo que esses estados também existem em núcleos de níquel muito mais leves. A verificação positiva do modelo teórico usado nesses experimentos permite descrever as propriedades de núcleos indisponíveis em laboratórios da Terra.

Mais de 99,9% da massa de um átomo vem do núcleo atômico , cujo volume é mais de um trilhão de vezes menor que o volume do átomo inteiro. Portanto, o núcleo atômico tem uma densidade surpreendente de cerca de 150 milhões de toneladas por centímetro cúbico. Isso significa que uma colher de sopa de matéria nuclear pesa quase tanto quanto um quilômetro cúbico de água. Apesar de seu tamanho muito pequeno e densidade incrível, os núcleos atômicos são estruturas complexas feitas de prótons e nêutrons. Pode-se esperar que esses objetos extremamente densos sempre tenham a forma esférica. Na realidade, porém, a situação é bem diferente: a maioria dos núcleos é deformada - eles exibem forma achatada ou alongada ao longo de um ou mesmo dois eixos, simultaneamente. Para encontrar a forma preferida de um determinado núcleo, costuma-se construir uma paisagem da energia potencial em função da deformação. Pode-se visualizar tal paisagem desenhando um mapa no qual as coordenadas planas são os parâmetros de deformação, ou seja, graus de alongamento ou achatamento ao longo dos dois eixos, enquanto a cor indica a quantidade de energia necessária para trazer o núcleo a uma determinada forma. Esse mapa é uma analogia completa com um mapa geográfico de terreno montanhoso.

Se um núcleo é formado na reação nuclear , ele aparece em um determinado ponto da paisagem - sofre deformação específica. Ele então começa a deslizar (mudar de deformação) em direção ao ponto de energia mais baixo (deformação estável). Em alguns casos, no entanto, antes de atingir o estado fundamental, pode ser interrompido por um tempo em algum mínimo local, uma armadilha, que corresponde à deformação metaestável. Isso é muito semelhante à água que brota em um determinado local na área montanhosa e flui para baixo. Antes de atingir o vale mais baixo, pode ficar preso em depressões locais por algum tempo. Se um riacho conectar a depressão local ao ponto mais baixo da paisagem, a água fluirá para baixo. Se a depressão estiver bem isolada, a água ficará lá por muito tempo.
 
Experimentos mostraram que mínimos locais na paisagem de deformação nuclear no spin zero existem apenas em núcleos massivos com números atômicos maiores do que 89 (actínio) e um número total de prótons e nêutrons bem acima de 200. Esses núcleos podem ser aprisionados nestes mínimos secundários em deformação metaestável por um período até dezenas de milhões de vezes mais longo do que o tempo necessário para atingir o estado fundamental sem ser retardado pela armadilha. Até alguns anos atrás, um estado de spin zero excitado associado à deformação metaestável nunca havia sido observado entre os núcleos de elementos mais leves. A situação mudou há alguns anos, quando um estado de deformação considerável caracterizado por estabilidade aumentada foi encontrado no níquel-66, o núcleo com 28 prótons e 38 nêutrons.

“Os cálculos feitos pelos nossos colegas japoneses também forneceram outro resultado inesperado”, afirma o prof. Bogdan Fornal (IFJ PAN). "Eles mostraram que uma depressão local profunda (armadilha) associada a uma deformação considerável deveria estar presente também na paisagem de energia potencial do níquel-64, o núcleo com dois nêutrons menores que o níquel-66, que até agora era considerado como tendo apenas um principal mínimo com uma forma esférica. O problema era que no níquel-64 a depressão foi prevista em alta energia de excitação - em grande altitude na analogia do terreno da montanha - e foi extremamente difícil encontrar um método experimental para colocar o núcleo nesta armadilha . "

Um tour de force ocorreu envolvendo quatro experimentos complementares, conduzidos em conjunto por uma colaboração liderada por experimentalistas da Romênia (IFIN-HH em Bucareste), França (Institut Laue-Langevin, Grenoble), Itália (Universidade de Milão), EUA (a Universidade da Carolina do Norte e TUNL) e da Polônia (IFJ PAN, Cracóvia). As medições foram realizadas em quatro laboratórios diferentes na Europa e nos EUA: Institut Laue-Langevin (Grenoble, França), IFIN-HH Tandem Laboratory (Romênia), Argonne National Laboratory (Chicago, EUA) e o Triangle Universities Nuclear Laboratory (TUNL, Norte Carolina, EUA). Diferentes mecanismos de reação foram empregados, incluindo transferência de prótons e nêutrons, captura de nêutrons térmicos, excitação de Coulomb e fluorescência de ressonância nuclear, em combinação com técnicas de detecção de raios gama de última geração.

Todos os dados tomados em conjunto permitiram estabelecer a existência de dois mínimos secundários na paisagem de energia potencial do níquel-64, correspondentes às formas elipsoidal oblata (achatada) e prolata (alongada), com a prolata sendo profunda e bem isolada, conforme indicado por a transição significativamente retardada para o mínimo esférico principal.

“A extensão de tempo que o núcleo passa quando preso no mínimo prolato do núcleo Ni-64 não é tão espetacular quanto a dos núcleos pesados, onde chega a dezenas de milhões de vezes. Registramos o aumento de apenas algumas dezenas das vezes, mas o fato de esse aumento ser próximo ao proporcionado pelo novo modelo teórico, é uma grande conquista ”, afirma o Prof. Fornal.

Um resultado particularmente valioso do estudo é a identificação de um componente anteriormente não considerado da força agindo entre os núcleos em sistemas nucleares complexos, o chamado tensor monopolo, que é responsável pela paisagem multifacetada de deformação nos isótopos de níquel. Os cientistas esperam que essa interação seja responsável, em grande parte, por moldar a estrutura de muitos núcleos que ainda não foram descobertos.

Numa perspectiva mais ampla, a investigação apresentada indica que a abordagem teórica aqui aplicada, sendo capaz de predizer adequadamente as características únicas dos núcleos de níquel , tem grande potencial para descrever as propriedades de centenas de sistemas nucleares que não são acessíveis em laboratório no Terra hoje, mas continuamente produzida em estrelas.

 

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