En aldrig tidigare skådad kombination av experimentell kärnfysik och teoretiska och beräkningsmodelleringstekniker har sammanförts för att avslöja hela omfattningen av exotiska kvicksilverisotopers udda-jämna formförskjutning, och förklara hur det går till. Resultatet, från ett internationellt team vid ISOLDEs kärnfysikanläggning vid CERN1, publicerad idag i Naturfysik , demonstrerar och förklarar ett fenomen som är unikt för kvicksilverisotoper där formen på atomkärnorna dramatiskt rör sig mellan en fotbolls- och rugbyboll.

Isotoper är former av ett element som innehåller samma antal protoner i sina kärnor men olika antal neutroner. Egenskaperna för olika isotoper kan utnyttjas på olika sätt, inklusive arkeologisk och historisk datering (kol 14) och medicinsk diagnostik. Stabila isotoper har ett optimalt förhållande mellan protoner och neutroner. Dock, när antalet neutroner minskar eller ökar, strukturella förändringar av kärnan krävs och isotopen blir vanligtvis instabil. Detta betyder att det spontant kommer att omvandla sig mot en stabil isotop av ett annat element genom radioaktivt sönderfall. Isotoper med extrema förhållanden neutron till proton är vanligtvis mycket kortlivade, vilket gör dem svåra att producera och studera i laboratoriet. ISOLDE är det enda stället i världen som kan studera så många exotiska isotoper.

Ett av de tidigaste experimenten i ISOLDE -anläggningen observerade dramatisk kärnform som svimlade i kedjan av kvicksilverisotoper för första gången. Det mer än 40 år gamla resultatet visade att även om de flesta isotoper med neutronnummer mellan 96 och 136 har sfäriska kärnor, de med 101, 103 och 105 neutroner har starkt långsträckta kärnor, formen på rugbybollar. Den upptäckten har förblivit ett av ISOLDEs flaggskeppsresultat, men det var så dramatiskt att det var svårt att tro.

I detta nya resultat, det experimentella teamet använde laserjoniseringsspektroskopi, masspektrometri och nukleära spektroskopitekniker för att titta närmare på hur, varför och när dessa kvantfasövergångar äger rum. Teamet reproducerade inte bara resultaten från det historiska experimentet (observerade isotoper upp till Merkurius 181), genom att producera och studera ytterligare fyra exotiska isotoper (177-180), den upptäckte också den punkt där formen förvånande upphör och kvicksilverisotoper återgår till normalt isotopbeteende. Flera teorier hade försökt beskriva vad som hände, men ingen kunde ge en fullständig förklaring.

"På grund av den extrema svårigheten att producera sådana exotiska kärnor, liksom beräkningsutmaningen att modellera ett så komplext system, orsakerna till denna formsvimlande fenomen förblev oklara, "förklarar Bruce Marsh." Det är först nu, med nya utvecklingar av ISOLDEs resonansjoniseringslaserjonkälla (RILIS), och genom att gå samman med andra ISOLDE -team, att vi har kunnat undersöka kärnstrukturen hos dessa isotoper."

Dessa experimentella observationer var i sig enastående, men samarbetet ville avsluta berättelsen med att teoretiskt förklara formen häpnadsväckande effekt. Med hjälp av en av världens mest kraftfulla superdatorer, teoretiker i Japan utförde de mest ambitiösa kärnkraftsmodellberäkningarna hittills.

Dessa beräkningar identifierade de mikroskopiska komponenterna som driver formförskjutningen; specifikt, att fyra protoner är upphetsade över en nivå som förutses av förväntningar på hur andra stabila isotoper i kärnlandskapet beter sig. Dessa fyra protoner kombineras med åtta neutroner och detta driver övergången till den långsträckta kärnformen. Faktiskt, båda kärnformerna är möjliga för varje kvicksilverisotop, beroende på om det är i marken eller exciterat tillstånd, men de flesta har en fotbollsformad kärna i grundtillståndet. Överraskningen är att naturen väljer den långsträckta rugbybollformen som grundtillstånd för tre av isotoperna.

"Uppfinnighet och innovation är egenskaper hos ISOLDE-gemenskapen och genereringen och mätningen av kvicksilverisotopersviten är ett särskilt vackert exempel, "sa Eckhard Elsen, CERN:s chef för forskning och databehandling. "Jag är ännu mer imponerad av att den teoretiska förklaringen till det förbryllande beteendet med hjälp av superdatormodellering gavs samtidigt."