Fizicienii descifrează un mister nuclear de 20 de ani legat de formarea aurului

Sursa foto: Sciencedaily

La marginea cunoașterii despre originea elementelor grele, o echipă de fizicieni nucleari a adus clarificări esențiale privind modul în care nucleele atomice instabile se descompun în timpul procesului rapid de captură a neutronilor (r‑process). Descoperirile, obținute prin experimente realizate la instalația ISOLDE a CERN, explică etape cruciale din calea care conduce la formarea metalelor prețioase precum aurul și platina și oferă date experimentale rare care pot îmbunătăți modelele teoretice folosite pentru a descrie evenimente cosmice extreme.

Procesul r și importanța descompunerilor beta‑întârziate

Elementele grele se formează în condiții extraordinare: colapsul sau explozia stelelor ori coliziunile dintre stele neutrone generează medii în care nucleele absorb neutroni cu rapiditate. În aceste circumstanțe, un nucleu poate capta succesiv neutroni până când devine atât de greu și instabil încât se descompune pentru a atinge o stare mai stabilă. Un lanț frecvent de transformări implică trecerea prin dezintegrări beta urmate de emisia a doi neutroni.

Problema centrală a studiului fizicii nucleare care se ocupă de r‑process constă în faptul că nucleele implicate sunt extrem de rare și efemere, ceea ce face dificilă obținerea de date experimentale directe. Din acest motiv, modelele teoretice sunt folosite pe scară largă pentru a estima comportamentul acestor nuclee, dar ele trebuie verificate și rafinate cu măsurători de laborator.

Studiul la ISOLDE: producerea și separarea izotopilor rari

Echipa condusă de cercetătorii de la Universitatea din Tennessee a început experimentul cu cantități semnificative din izotopul rar indiu‑134 (In‑134). Producerea unor astfel de nuclee necesită tehnologii avansate și infrastructură de mare capacitate. Munca de la CERN a folosit stația de descompunere ISOLDE, care a permis generarea în cantități suficiente și separarea prin tehnici laser pentru a obține probe curate de indiu‑134.

Când indiu‑134 se descompune, el generează forme excitate ale staniului: staniu‑134 (Sn‑134), staniu‑133 (Sn‑133) și staniu‑132 (Sn‑132). Echipa a folosit un detector de neutroni construit la Universitatea din Tennessee, finanțat prin programul Major Research Instrumentation al National Science Foundation, pentru a înregistra cu precizie evenimentele de emisie neutronică care urmează dezintegrării beta.

Prima descoperire majoră: spectroscopie a emisiilor beta‑întârziate cu doi neutroni

Cea mai semnificativă realizare raportată este prima măsurare a energiilor neutronilor asociate cu emisia beta‑întârziată de doi neutroni. Acest fenomen apare doar în nucleele exotice, care sunt instabile și trăiesc foarte puțin. Energia necesară pentru separarea a doi neutroni din nucleu este, în general, foarte mică; totuși, în cadrul acestui experiment energia a fost suficient de mare pentru a fi măsurabilă.

Detectarea energiei neutronilor este complicată de tendința neutrinilor de a „sări” sau de a devia în detector, ceea ce îngreunează determinarea dacă a fost emis un neutron sau doi. Până acum, încercările anterioare nu furnizaseră măsurători ale energiilor asociate acestor emisii, iar succesul actual deschide o nouă direcție experimentală crucială pentru înțelegerea r‑processului.

O stare de neutron mult căutată în staniu

A doua descoperire majoră a echipei a fost observarea pentru prima dată a unei stări de neutron de tip „single‑particle” în staniu‑133, predicție teoretică urmărită de aproape două decenii. În termeni simpli, nucleul de staniu aflat într‑o stare excitata trebuie să piardă energie pentru a se stabiliza; acest lucru se poate realiza prin eliminarea unuia sau a doi neutroni. Deși se aștepta ca, uneori, nucleul să elimine doi neutroni, observațiile arată că nu întotdeauna se întâmplă astfel.

Anterior, se considera că nucleul de staniu își pierde orice urmă a originii sale—comportându‑se ca un „nucleu amnezic” după emisia neutronilor. Rezultatele experimentale arată însă că „umbra” originară a indiu‑134 nu dispare complet; memoria modului în care nucleul a fost format poate fi păstrată în starea finală. Detectoarele avansate de neutroni folosite în acest studiu au permis identificarea acestei stări eluzive, sugerând că modelele teoretice actuale nu sunt complete și că este necesară o înțelegere mai sofisticată pentru a explica de ce unele dezintegrări eliberează un neutron, iar altele două.

Starea observată reprezintă un stadiu intermediar în secvența de emisie a doi neutroni și constituie excitația elementară finală a nucleului Sn‑133, contribuind la completarea imaginii structurii nucleare pentru acest regiune a tabelului nuclidic.

O populație non‑statistică care pune la îndoială modelele existente

Al treilea rezultat semnificativ semnalat de cercetători privește modul în care a fost populată această stare nou observată. În termeni tehnici, cercetătorii au identificat o „populare non‑statistică” a stării respective: modul în care starea a fost populată în timpul dezintegrației nu urmează tiparele statistice uzuale pe care le anticipează teoriile curente.

Grzywacz și colegii săi subliniază că mediul experimental a fost relativ „curat”, adică stările nucleare erau separate una de alta și nu erau aglomerate. Astfel, nu era de așteptat ca mecanismele statistice să domine populațiile de stări. Cu toate acestea, în multe cazuri chiar și în aceste condiții se observă un comportament asemănător cu „supa de mazăre”, unde stările par a fi populate statistic. Întrebarea care rămâne este de ce, în regiuni îndepărtate ale peisajului nuclear — în special în cazul nucleelor exotice precum Tennessine — modelele statistice tradiționale par să nu mai fie adecvate.

Rezultatele indică necesitatea dezvoltării unor abordări teoretice noi care să poată descrie comportamentul acestor sisteme extreme și să explice de ce mecanismele statistice apar sau dispar în anumite regiuni ale tabelului nuclidic.

Contribuția tinerilor cercetători și importanța colaborării

Succesul experimentului reflectă munca colaborativă a unui grup larg de cercetători. Printre membri se numără studenți de doctorat și cercetători de la Universitatea din Tennessee: Peter Dyszel, Jacob Gouge, profesorul Robert Grzywacz, conferențiarul Miguel Madurga și cercetătoarea asociată Monika Piersa‑Siłkowska. Metodele de analiză a datelor au beneficiat de contribuțiile dezvoltate de profesorul asistent Zhengyu Xu.

Primul autor al articolului, Peter Dyszel, a avut responsabilități multiple în cadrul experimentului: a construit cadre pentru detectoarele de urmărire a neutronilor, le‑a asamblat în aparat, a instalat sisteme electronice, a construit detectoare beta, a efectuat măsurători de test, a contribuit la dezvoltarea software‑ului de achiziție a datelor, a reglat sistemele de temporizare și a analizat datele obținute. El însuși a atribuit reușita proiectului influenței colegilor și colaboratorilor, ale căror sugestii constructive au fost esențiale.

Dyszel, originar din Jacksonville, Florida, a urmat studiile de licență în fizică la University of North Florida și s‑a alăturat grupului lui Grzywacz în 2022. Interesul său pentru fizica nucleară a început în timpul unui curs general de chimie, când a întâlnit pentru prima dată conceptul de dezintegrare beta și a fost fascinat de ideea că transformările nucleare pot genera elemente complet noi, cu proprietăți distincte.

Impactul asupra modelelor nucleare și asupra înțelegerii cosmice

Datele obținute în acest studiu sunt deosebit de valoroase pentru îmbunătățirea modelelor care descriu modul în care evenimentele stelare extreme creează elemente grele. Observațiile directe privind energiile neutronilor emisi la dezintegrarea beta‑întârziată cu doi neutroni, identificarea stării single‑particle în Sn‑133 și constatarea populației non‑statistice a acestei stări oferă ancore experimentale care pot restrânge teoriile actuale.

Pe măsură ce cercetătorii explorează regiuni ale peisajului nuclear tot mai depărtate de stabilitate, în special în cazul nucleelor exotice, este probabil ca cadrele teoretice tradiționale să trebuiască adaptate sau complet reinventate pentru a descrie fenomene noi. Aceste progrese nu sunt relevante doar pentru fizica nucleară fundamentală, ci și pentru înțelegerea modului în care universul a ajuns să conțină metale prețioase ca aurul și platina.

Publicație și resurse

Rezultatele experimentului au fost publicate în Physical Review Letters, sub titlul „First β‑Delayed Two‑Neutron Spectroscopy of the r‑Process Nucleus In134 and Observation of the i13/2 Single‑Particle Neutron State in Sn133”, semnat de P. Dyszel, R. Grzywacz, Z. Y. Xu și numeroși colaboratori, în 2025 (vol. 135, nr. 15). Pentru detalii suplimentare și acces la materialele instituționale care descriu experimentul, pot fi consultate resursele oficiale ale Universității din Tennessee și pagina articolului publicat online.

Pentru context și documentare, textul de prezentare al universității poate fi accesat aici: https://physics.utk.edu/one-experiment-three-discoveries/, iar relatatea științifică disponibilă pe platforma de popularizare științifică este publicată la https://www.sciencedaily.com/releases/2026/03/260313002633.htm. De asemenea, referința DOI a lucrării științifice este disponibilă prin linkul publicat în jurnal: http://dx.doi.org/10.1103/l24v-5m31.

Studiul reprezintă un pas important spre elucidarea mecanismelor microscopice care guvernează formarea elementelor grele în univers și subliniază rolul detectoarelor avansate și al colaborărilor internaționale în progresul cercetării nucleare. Observațiile realizate la ISOLDE fac posibilă verificarea unor predicții teoretice vechi de zeci de ani și deschid perspective noi pentru dezvoltarea de modele mai precise ale nucleelor exotice implicate în procese astrofizice extreme.