As descobertas sugerem uma fase superfluida em ²⁹F e ²⁸O

Os dados coletados pelo espectrômetro SAMURAI na Fábrica de Feixes RI (RIBF) da RIKEN no Japão levaram recentemente à detecção de um isótopo raro de flúor (F), conhecido como ³⁰F. Isso abriu possibilidades interessantes para o estudo de estruturas nucleares raras e fases correspondentes, o que poderia, por sua vez, ajudar a testar várias teorias da física.

A colaboração SAMURAI21-NeuLAND, um grande grupo de pesquisadores que inclui físicos do RIKEN, do GSI-FAIR e da TU Darmstadt na Alemanha, e de outras instalações de pesquisa em todo o mundo, propôs-se a estudar a espectroscopia e a energia de separação de nêutrons do recém-detectado ³⁰Isótopo F.

As suas descobertas, publicadas em Cartas de revisão físicasugerem a presença de um estado superfluido nos isótopos ²⁹F e ²⁸O.

“Estamos explorando os núcleos mais ricos em nêutrons no gráfico de nuclídeos, expandindo os limites da existência”, disse Julian Kahlbow, autor correspondente do artigo, ao Phys.org. “Até o momento, conhecemos os limites ricos em nêutrons para os isótopos de neônio (Ne) e F, com o último isótopo de flúor sendo ³¹F.

“Nosso objetivo inicial era estudar como a estrutura nuclear se comporta sob condições extremas, em particular determinando se os ‘números mágicos’ nucleares se mantêm.”

Em um número de nêutrons de N=20, as estruturas nucleares tipicamente exibem uma grande lacuna de energia. Como parte de seu estudo, Kahlbow e seus colegas exploraram o conflito relatado anteriormente entre Ne rico em nêutrons e núcleos um pouco mais pesados, para os quais essa lacuna de energia se rompe, criando o que é conhecido como uma “Ilha de Inversão”, contra uma ²⁸Um núcleo que supostamente é duas vezes mais “mágico”.

“Entre esses isótopos encontram-se ²⁹F e ³⁰F”, explicou Kahlbow. “Nada se sabe sobre ³⁰F porque não é vinculado e existe por apenas cerca de 10^-20 segundos, tornando qualquer medição muito desafiadora.

“Pela primeira vez, meus colaboradores e eu medimos a massa de ³⁰F, uma quantidade fundamental de qualquer núcleo. Medindo a massa de ³⁰F, (ou seja, sua energia de separação de nêutrons), concluímos que a região na qual a “magia” é perdida se estende também aos isótopos F.”

Medindo a massa de ³⁰F, os pesquisadores conseguiram reunir mais informações sobre esse segmento em particular no gráfico de nuclídeos (ou seja, uma representação gráfica de todos os isótopos conhecidos que os organiza com base no número de prótons e nêutrons em seus núcleos). Isso, por sua vez, levou a resultados mais surpreendentes.

“³⁰F é um núcleo não ligado, o que significa que ele decai em 10^-20 segundos, tornando as medições diretas impossíveis”, disse Kahlbow. “Ao analisar os produtos de decaimento, no entanto, podemos reconstruir ³⁰F através da medição de ²⁹F e um único nêutron.”

Primeiro, Kahlbow e seus colegas produziram um feixe de íons de ³¹Ne usando o separador de fragmentos BigRIPS na instalação RIBF/RIKEN no Japão. Este feixe, que viajou a cerca de 60% da velocidade da luz, foi direcionado para um alvo de hidrogênio líquido para eliminar um único próton, resultando na produção de ³⁰F, que instantaneamente decaiu em ²⁹F e um nêutron.

Medições tanto para o nêutron quanto para o ²⁹O isótopo F foi coletado no local onde o experimento SAMURAI está ocorrendo. Para realizar medições no nêutron, no entanto, a equipe usou um detector de nêutrons de 4 toneladas chamado NeuLAND, que foi enviado da instalação de pesquisa GSI-FAIR na Alemanha para o Japão especificamente para este projeto de pesquisa.

“Este estudo foi um grande esforço de equipe de mais de 80 pessoas que coletivamente executaram o experimento, combinando expertise de todo o mundo trabalhando nas melhores instalações de aceleradores”, disse Kahlbow. “Na análise de dados, usando as informações de momentum medidas de ²⁹F e o nêutron, o espectro de energia de ³⁰F é reconstruído no qual identificamos com sucesso uma ressonância e massa do estado fundamental.”

Este estudo recente da colaboração SAMURAI21/NeuLAND pode abrir novas oportunidades para a investigação centrada tanto na ³⁰Isótopo F e outros isótopos interessantes ao redor ²⁸O. Este isótopo de oxigênio, que também foi detectado e medido recentemente no RIKEN, é caracterizado por um núcleo que decai em quatro nêutrons e ²⁴O.

“Com base em nossos resultados, mostramos que a estrutura nuclear clássica se desintegra e o ‘número mágico’ não se mantém mais em 20 nêutrons (para Z=9, 8)”, explicou Kahlbow.

“Especulamos que ²⁸O e ²⁹F existem em um estado superfluido de matéria nuclear. Com a ajuda do meu colega francês Olivier Sorlin e teóricos, fomos capazes de identificar esse surpreendente estado da matéria nessa região do gráfico de núcleos. Os nêutrons em excesso provavelmente formam pares e se espalham facilmente entre e ocupam diferentes níveis de energia.”

Notavelmente, um regime superfluido puro raramente é encontrado em todos os isótopos no gráfico de nuclídeos. Esta fase foi encontrada anteriormente na cadeia isotópica mais pesada de Estanho (Sn), em um regime semelhante ao de par de Cooper, a partir de pares de nêutrons com grandes distâncias entre eles.

“Em nosso trabalho, propomos superfluidez pela primeira vez no limite da estabilidade em sistemas fracamente ligados”, disse Kahlbow. “A possível implicação da superfluidez em sistemas fracamente ligados ou não ligados é a mudança de regime, daquele com nêutrons a grande distância para nêutrons em pares a distâncias mais curtas, próximo às características dos condensados ​​de Bose Einstein.”

As novas medições coletadas pela Colaboração SAMURAI21/NeuLAND podem ter implicações importantes para o estudo de isótopos exóticos e suas fases subjacentes. No futuro, elas podem abrir caminho para mais experimentos voltados para testar teorias nucleares, potencialmente levando a descobertas inesperadas.

“Nossos resultados atuais sugerem a presença de uma fase superfluida em ²⁹F e ²⁸O, que pretendemos estudar em detalhes na próxima etapa, por exemplo, medindo diretamente as correlações de nêutrons e o tamanho dos pares de nêutrons”, disse Kahlbow.

“Em geral, a evolução das interações de pareamento em direção a sistemas fracamente ligados também é provavelmente importante para a equação de estados usada na modelagem de estrelas de nêutrons.”

Os cálculos realizados pelos pesquisadores também sugerem que ²⁹F e ³¹F poderia ser núcleos halo (isto é, núcleos nos quais um ou dois nêutrons orbitam longe do núcleo nuclear). Em seus próximos estudos, eles gostariam de investigar essa possibilidade em um ambiente experimental.

“Tais estudos nos permitiriam aprender sobre a surpreendente estrutura nuclear de núcleos ricos em nêutrons ao longo da cadeia isotópica de flúor”, acrescentou Kahlbow. “Toda essa região do gráfico de núcleos no limite da existência permanece amplamente inexplorada e só recentemente se tornou acessível devido aos avanços na tecnologia de aceleradores.

“Nosso trabalho, portanto, abre a oportunidade de descobrir e estudar comportamentos e propriedades surpreendentes de núcleos extremamente ricos em nêutrons.”

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