Storlekar och former på kärnor med mer än 100 protoner var hittills experimentellt otillgängliga. Laserspektroskopi är en etablerad teknik för att mäta grundläggande egenskaper hos exotiska atomer och deras kärnor. För första gången, denna teknik utökades nu för att exakt mäta den optiska excitationen av atomnivåer i atomskalet av tre isotoper av det tunga elementet nobelium, som innehåller 102 protoner i sina kärnor och inte förekommer naturligt. Detta rapporterades av ett internationellt team av forskare från GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), Helmholtz Institute Mainz (HIM), TU Darmstadt, KU Leuven i Belgien, University of Liverpool i Storbritannien och TRIUMF i Vancouver, Kanada. Kärnor av tunga element kan produceras i små mängder av några atomer per sekund i fusionsreaktioner med kraftfulla partikelacceleratorer. De erhållna resultaten beskrivs väl av kärnmodeller, som föreslår att kärnorna har en bubbelliknande struktur med lägre densitet i mitten än vid ytan. Resultaten publicerades i en ny artikel i Fysiska granskningsbrev .

Atomer består av en positivt laddad kärna omgiven av ett elektronskal. De inre elektronerna tränger in i kärnans volym och således påverkas atomnivåernas energier av atomkärnans storlek och form. En skillnad i storlek på två olika atomkärnor resulterar, till exempel, från ett annat antal neutroner resulterar i ett litet skift av elektroniska energinivåer. Exakta mätningar av dessa energier är möjliga med laserljus. Energiförskjutningar spåras genom att variera frekvensen och motsvarande färg på ljuset som krävs för att excitera elektroner till högre energinivåer. Än så länge, denna metod kunde endast tillämpas på isotoper av lättare element som produceras vid större produktionstakter och vars atomstruktur redan var känd från experiment med rikliga långlivade eller stabila isotoper. Kärnor av element över fermium (Fm, Z =100) kan produceras med små mängder av några atomer per sekund i fusionsreaktioner och existerar i allmänhet bara under högst några sekunder. Därför, deras atomstruktur var hittills inte tillgänglig med laserspektroskopiska metoder.

I de nuvarande experimenten, nobeliumisotoper producerades genom fusion av kalciumjoner med bly vid hastighetsfiltret SHIP vid GSI:s acceleratoranläggning. För att möjliggöra laserspektroskopi, de högenergiska nobeliumatomerna stoppades i argongas. Resultaten är baserade på ett föregående experiment som också utförts vid GSI, utforska nobeliumets atomövergångar (nr). Det kemiska elementet med atomnummer 102 upptäcktes för cirka 60 år sedan. Det senaste experimentet undersökte isotoperna nr 254, Nr 253, och nr 252, som skiljer sig åt i antalet ingående neutroner i sina kärnor, med laserspektroskopi. De tillgängliga hastigheterna för experimentet nådde värden under en jon per sekund för isotopen No-252.

Från mätningarna av excitationsfrekvensen för de enskilda isotoperna, färgskiftet för det erforderliga laserljuset bestämdes för nr 252 och nr 254. För nr 253, fragmenteringen av linjen till flera hyperfina komponenter inducerade av den enda oparade udda neutronen löstes också. Atomkärnornas storlekar och former härleddes från att använda teoretiska beräkningar av nobeliumets atomstruktur, som genomfördes i samarbete med forskare från Helmholtz Institute Jena i Tyskland, universitetet i Groningen i Nederländerna, och University of New South Wales i Sydney, Australien. Resultaten bekräftar att nobeliumisotoperna inte är sfäriska utan deformeras som en amerikansk fotboll. Den uppmätta storleksförändringen överensstämmer med beräkningar av kärnmodeller som utförts av forskare från GSI och från Michigan State University i USA. Dessa beräkningar förutsäger att de studerade kärnorna har en lägre laddningstäthet i mitten än vid ytan.

Tack vare dessa banbrytande studier, ytterligare tunga nuklider kommer att vara tillgängliga för laserspektroskopiska tekniker, möjliggör en systematisk undersökning av förändringar i storlek och form i området för tunga kärnor. Dessa experiment är hittills endast möjliga vid GSI och möjliggör en unik fördjupad förståelse av atom- och kärnkraftsstrukturen för de tyngsta elementen. Resultaten spelar också en roll för den framtida anläggningen FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), som för närvarande är under uppbyggnad på GSI. Samma tekniker och metoder kan också användas i lågenergigrenen i FAIR:s superfragmentavskiljare.