Studiul nucleelor cu un număr mult mai mare de neutroni față de cel al protonilor ne ajută să înțelegem mai bine forța nucleară – cea care ține împreună protonii și neutronii în nucleele atomilor. O prima măsurătoare, efectuată în Japonia, a izotopilor oxigenului 27 și 28, este, din acest punct de vedere, foarte importantă.

Forța nucleară

Atomii sunt alcătuiți dintr-un nucleu în jurul căruia orbitează electronii. Nucleul, la rândul lui, este compus din neutroni și protoni. Aceștia sunt legați între ei în nucleu de așa-numita forță (mai precis interacțiune) nucleară puternică. Încă nu cunoaștem bine această forță – ce are de fapt la baza ei quarcii din protoni și neutroni și așa-numita cromodinamică cuantică, aceea care descrie modul în care quarcii interacționează între ei prin intermediul gluonilor. Studiul interacțiunii nucleare se efectuează atât din punct de vedere teoretic, cât și experimental. Rezultatele experimentale sunt ulterior comparate cu ceea ce prevede teoria, în acest mod reușim să înțelegem mai bine caracteristicile forței nucleare puternice.

Izotopii elementelor chimice

Un element chimic este caracterizat de un număr de protoni, egal cu cel al electronilor. De exemplu, carbonul are 6 protoni și 6 electroni. Fierul are 26 de protoni (și electroni). Cel mai ușor element chimic, hidrogenul, are doar un proton și un electron. În nucleul unui element chimic, însă, numărul de neutroni poate varia – în acest caz vorbim despre izotopii unui element chimic: adică atomi cu același număr de protoni și electroni, dar cu un număr de neutroni în nucleu diferit. De obicei numărul de neutroni în nucleu este mai mare decât numărul de protoni, Diferența crește pe măsură ce elementul chimic este mai greu. De exemplu, izotopul plumbului 208 are 82 de protoni și 126 de neutroni în nucleu. În multe experimente de fizică nucleară se studiază izotopi la limita stabilității – adică se generează la acceleratoare izotopi cu un număr de neutroni, de exemplu, mult mai mare decât cel al izotopilor stabili. Comportamentul și caracteristicile izotopului instabil ne dau informații despre forța nucleară. Este exact ceea a studiat un grup de cercetători în Japonia, la acceleratorul RIKEN.

Izotopi grei ai oxigenului: 27 și 28

Oxigenul este extrem de important pentru noi, fiind prezent în atmosfera terestră, în apă și în multe alte molecule. Oxigenul stabil are 8 protoni și 8 neutroni în nucleu (există și un procent extrem de mic de izotopi ai oxigenului cu 9 sau 10 neutroni în nucleu). Modul în care protonii și neutronii sunt organizați în nuclee este studiat în experimente care generează izotopi care nu sunt stabili. Forța nucleară, cea care ține împreună neutronii și protonii, nu este cunoscută extrem de bine. În acest context, cercetătorii de la RIKEN (Japonia) au reușit să genereze și să studieze doi izotopi extremi ai oxigenului. Pentru prima dată cu fascicule de ioni radioactivi, în mod specific 29F, au generat izotopii 27 și 28 ai oxigenului; adică izotopi cu un număr de neutroni egal cu 19 sau 20, deci mult mai mare decât numărul protonilor (8). Aceste nuclee nu sunt stabile și se dezintegrează practic imediat după formare emițând 3 sau 4 neutroni, generând oxigenul 24. Caracteristicile oxigenului 27 și 28 au fost determinate din măsurarea neutronilor emiși și rezultatele au fost comparate cu ceea ce prevede teoria, fiind publicate într-un articol recent în revista Nature.

Din studiul efectuat cercetătorii au reușit să înțeleagă mai bine aspecte ale interacțiunii nucleare puternice, în mod specific descrisă cu două teorii diferite: un model în pături al nucleului și altul – o teorie care pleacă de la cromodinamica cuantică (effective field theory).

Experimente de acest gen ne ajută să înțelegem forțele naturii, precum cea nucleară, și, în acest fel, modul în care funcționează Universul și legile acestuia.

Credit imagine: Nishina Center for Accelerator-Based Science, Articolul: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06352-6

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul” Sfântu Gheorghe.