Een ongekende combinatie van experimentele kernfysica en theoretische en computationele modelleringstechnieken is samengebracht om de volledige omvang van de oneven-even vorm van exotische kwikisotopen te onthullen, en leg uit hoe het komt. Het resultaat, van een internationaal team van de kernfysica-faciliteit ISOLDE op CERN1, vandaag gepubliceerd in Natuurfysica , demonstreert en verklaart een fenomeen dat uniek is voor kwikisotopen, waarbij de vorm van de atoomkernen dramatisch beweegt tussen een voetbal en een rugbybal.

Isotopen zijn vormen van een element die hetzelfde aantal protonen in hun kernen bevatten, maar verschillende aantallen neutronen. De eigenschappen van verschillende isotopen kunnen op verschillende manieren worden benut, waaronder archeologische en historische datering (Carbon 14) en medische diagnostiek. Stabiele isotopen hebben een optimale verhouding van protonen tot neutronen. Echter, naarmate het aantal neutronen afneemt of toeneemt, structurele veranderingen in de kern zijn vereist en de isotoop wordt typisch onstabiel. Dit betekent dat het zichzelf spontaan zal transformeren naar een stabiele isotoop van een ander element door middel van radioactief verval. Isotopen met extreme verhoudingen tussen neutronen en protonen zijn doorgaans van zeer korte duur, waardoor ze moeilijk te produceren en te bestuderen in het laboratorium. ISOLDE is de enige plek ter wereld die zo'n breed scala aan exotische isotopen kan bestuderen.

Bij een van de vroegste experimenten in de ISOLDE-faciliteit werd voor het eerst een dramatische onthutsende nucleaire vorm waargenomen in de keten van kwikisotopen. Dat meer dan 40 jaar oude resultaat toonde aan dat hoewel de meeste isotopen met neutronengetallen tussen 96 en 136 bolvormige kernen hebben, die met 101, 103 en 105 neutronen hebben sterk langwerpige kernen, de vorm van rugbyballen. Die ontdekking is een van de belangrijkste resultaten van ISOLDE gebleven, maar het was zo dramatisch dat het moeilijk te geloven was.

In dit nieuwe resultaat het experimentele team gebruikte laserionisatiespectroscopie, massaspectrometrie en nucleaire spectroscopietechnieken om nader te bekijken hoe, waarom en wanneer deze kwantumfaseovergangen plaatsvinden. Het team reproduceerde niet alleen de resultaten van het historische experiment (waarneming van isotopen tot Mercurius 181), door vier extra exotische isotopen te produceren en te bestuderen (177-180), het ontdekte ook het punt waarop de wankelende vorm ophoudt en kwikisotopen terugkeren naar normaal isotoopgedrag. Verschillende theorieën hadden geprobeerd te beschrijven wat er gebeurde, maar niemand was in staat om een ​​volledige verklaring te geven.

"Vanwege de extreme moeilijkheid om zulke exotische kernen te produceren, evenals de computationele uitdaging van het modelleren van een dergelijk complex systeem, de redenen voor dit vormverbijsterende fenomeen bleven onduidelijk, " legt Bruce Marsh uit. "Het is pas nu, met nieuwe ontwikkelingen van ISOLDE's Resonance Ionisation Laser Ion Source (RILIS), en door de krachten te bundelen met andere ISOLDE-teams, dat we de nucleaire structuur van deze isotopen hebben kunnen onderzoeken."

Deze experimentele waarnemingen waren op zichzelf opmerkelijk, maar de samenwerking wilde het verhaal afsluiten door het vormverbijsterende effect theoretisch te verklaren. Met behulp van een van 's werelds krachtigste supercomputers, theoretici in Japan voerden tot nu toe de meest ambitieuze modelberekeningen uit.

Deze berekeningen identificeerden de microscopische componenten die de vormverschuiving aandrijven; specifiek, dat vier protonen worden geëxciteerd boven een niveau dat wordt voorspeld door verwachtingen over hoe andere stabiele isotopen in het nucleaire landschap zich gedragen. Deze vier protonen worden gecombineerd met acht neutronen en dit drijft de verschuiving naar de langwerpige nucleaire vorm. In feite, beide nucleaire vormen zijn mogelijk voor elke kwikisotoop, afhankelijk van of het zich in de grond of aangeslagen toestand bevindt, maar de meeste hebben een voetbalvormige kern in hun grondtoestand. De verrassing is dat de natuur de langwerpige vorm van de rugbybal kiest als grondtoestand voor drie van de isotopen.

"Inventiviteit en innovatie zijn kenmerken van de ISOLDE-gemeenschap en het genereren en meten van de reeks kwikisotopen is een bijzonder mooi voorbeeld, " zei Eckhard Elsen, CERN's directeur voor onderzoek en informatica. "Ik ben nog meer onder de indruk dat tegelijkertijd de theoretische verklaring van het raadselachtige gedrag met behulp van supercomputermodellering werd gegeven."