Cientistas resolvem uma anomalia há muito debatida na forma como os núcleos giram

Núcleos atômicos vêm em diferentes formatos, variando de semelhantes a uma bola de futebol (“prolato”) a semelhantes a uma panqueca (“oblato”). Os formatos prolato e oblato têm diferentes momentos de inércia. Esta é a resistência de um corpo a ter sua velocidade de rotação alterada por uma força externa. Núcleos atômicos com diferentes formatos com diferentes momentos de inércia implica que são necessárias diferentes quantidades de energia para girar diferentes núcleos.

Em pesquisas anteriores, medições descobriram que para rotações rápidas, por exemplo em núcleos como neon-20 ou crômio-48, a energia para girar muda inesperadamente. Cientistas atribuíram isso a um aumento anômalo no momento de inércia para rotações rápidas, provavelmente devido à protuberância da matéria nuclear. Modelos anteriores sugeriram que núcleos de rotação rápida acabam se tornando esferas, mas modelos mais novos encontraram formas deformadas. Agora, simulações em larga escala de núcleos atômicos revelaram novas explicações surpreendentes da física elusiva de núcleos de rotação rápida.

Pela primeira vez em quase 50 anos, cientistas calcularam com precisão o momento de inércia e estudaram seu aumento anômalo hipotético por meio de simulações de núcleos de última geração. As simulações para neon-20 replicam as medições de energia. Notavelmente, no entanto, as simulações não encontram o aumento anômalo. Em vez disso, elas revelam uma mudança no interior do núcleo.

Simulações microscópicas semelhantes para o cromo-48 confirmam esse resultado surpreendente. Além disso, os resultados resolvem a questão duradoura de se um núcleo prolato que começa a girar rapidamente se torna esférico ou oblato. Esta pesquisa, publicada em Revisão Física Cmostra que surgem diversas formas concorrentes, algumas prolatas e outras oblatas, que em média parecem esféricas.

Um aluno do programa de Experiências de Pesquisa para Graduação da Louisiana State University (LSU), juntamente com cientistas da LSU, da San Diego State University e da Czech Academy of Sciences, estudou precisamente o conteúdo de forma do neon-20 usando uma teoria recém-desenvolvida de primeiros princípios do Modelo de Casca Sem Núcleo Adaptado à Simetria.

Esta estrutura descreve naturalmente a deformação e as subestruturas de cluster de núcleos atômicos. A estrutura alcança soluções que de outra forma seriam impossíveis construindo blocos respeitando uma simetria quase perfeita dentro dos núcleos. Essas simulações nucleares de última geração revelam uma superposição quântica complexa de formas. Isso refuta uma alegação de 50 anos, baseada em analogia a objetos rotativos clássicos, de que rotações crescentes levam a um aumento no momento de inércia nuclear.

Para núcleos leves, o neon-20 (com 10 prótons e 10 nêutrons) tem sido o exemplo canônico do aumento hipotético do momento de inércia. Nos novos cálculos “adaptados à simetria”, o momento de inércia e a forma nuclear e a estrutura intrínseca (veja a imagem c na figura acima) mudam pouco. Em vez disso, a mistura com um estado nuclear próximo, que alinha os spins das partículas e combina formas, muda a energia.

Cálculos semelhantes para o cromo-48 confirmam um núcleo de rotação rápida que parece quase esférico, em concordância com alguns modelos. Este modelo descobre que esta esfericidade é uma média de uma mistura quase igual de formas prolatas e oblatas (veja a imagem b na figura acima). Isto representa uma nova visão sobre a física de núcleos de rotação rápida.