Tills nyligen, forskare trodde att endast mycket massiva kärnor kunde ha exciterat nollsnurrtillstånd med ökad stabilitet med en signifikant deformerad form. Under tiden, ett internationellt team av forskare från Rumänien, Frankrike, Italien, USA och Polen visade i sin senaste artikel att sådana stater även finns i mycket lättare nickelkärnor. Positiv verifiering av den teoretiska modellen som används i dessa experiment gör det möjligt att beskriva egenskaperna hos kärnor som inte är tillgängliga i jordlaboratorier.

Mer än 99,9 procent av en atoms massa kommer från atomkärnan, vars volym är över en biljon gånger mindre än volymen av hela atomen. Därav, atomkärnan har en fantastisk densitet på cirka 150 miljoner ton per kubikcentimeter. Det betyder att en matsked kärnämne väger nästan lika mycket som en kubikkilometer vatten. Trots sin mycket lilla storlek och otroliga täthet, Atomkärnor är komplexa strukturer gjorda av protoner och neutroner. Man kan förvänta sig att sådana extremt täta föremål alltid skulle ta sfärisk form. I verkligheten, dock, situationen är helt annorlunda:de flesta kärnor är deformerade - de uppvisar form tillplattad eller långsträckt längs en eller till och med två axlar, samtidigt. För att hitta favoritformen för en given kärna, det är vanligt att konstruera ett landskap av den potentiella energin som en funktion av deformation. Man kan visualisera ett sådant landskap genom att rita en karta där plankoordinaterna är deformationsparametrarna, d.v.s. grader av töjning eller tillplattning längs de två axlarna, medan färgen indikerar mängden energi som behövs för att få kärnan till en given form. En sådan karta är en fullständig analogi med en geografisk karta över bergsterräng.

Om en kärna bildas i kärnreaktionen, det dyker upp vid en given punkt i landskapet – det kräver specifik deformation. Den börjar sedan glida (ändra deformation) mot den lägsta energipunkten (stabil deformation). I vissa fall, dock, innan man når grundtillståndet, det kan stoppas ett tag i något lokalt minimum, en fälla, vilket motsvarar metastabil deformation. Detta är mycket likt vatten som kommer på en viss plats i bergsområdet och rinner nedåt. Innan den når den lägsta dalen, den kan vara instängd i lokala fördjupningar under en tid. Om en bäck förbinder den lokala fördjupningen med landskapets lägsta punkt, vattnet kommer att rinna ner. Om depressionen är väl isolerad, vattnet kommer att stanna där väldigt länge.

Experiment har visat att lokala minima i det nukleära deformationslandskapet vid spinn noll endast existerar i massiva kärnor med atomnummer större än 89 (aktinium) och ett totalt antal protoner och neutroner långt över 200. Sådana kärnor kan fångas i dessa sekundära minima vid metastabil deformation under en period till och med tiotals miljoner gånger längre än den tid som behövs för att nå marktillståndet utan att bromsas av fällan. Tills för några år sedan, ett exciterat nollsnurrtillstånd associerat med metastabil deformation hade aldrig observerats bland kärnor av lättare element. Situationen förändrades för några år sedan när ett tillstånd med betydande deformation kännetecknat av ökad stabilitet hittades i nickel-66, kärnan med 28 protoner och 38 neutroner. Denna identifiering stimulerades av beräkningar utförda med den sofistikerade Monte Carlo-skalmodellen utvecklad av Tokyo University teoretiker, som förutspådde denna deformationsfälla.

"Beräkningarna utförda av våra japanska kollegor gav också ett annat oväntat resultat, " säger Prof. Bogdan Fornal (IFJ PAN). "De visade att en djup, lokal depression (fälla) förknippad med betydande deformation bör också finnas i det potentiella energilandskapet för nickel-64, kärnan med två neutroner mindre än nickel-66, som fram till nu ansågs ha endast ett huvudminimum med sfärisk form. Problemet var att i nickel-64 förutspåddes depressionen vid hög excitationsenergi - på hög höjd i bergsterränganalogin - och det var extremt svårt att hitta en experimentell metod för att placera kärnan i denna fälla."

En tour de force ägde rum med fyra kompletterande experiment, gemensamt genomfört av ett samarbete ledd av experimentalister från Rumänien (IFIN-HH i Bukarest), Frankrike (Institut Laue-Langevin, Grenoble), Italien (Universitetet i Milano), USA (University of North Carolina och TUNL) och Polen (IFJ PAN, Krakow). Mätningar utfördes vid fyra olika laboratorier i Europa och USA:Institut Laue-Langevin (Grenoble, Frankrike), IFIN-HH Tandem Laboratory (Rumänien), Argonne National Laboratory (Chicago, USA) och Triangle Universities Nuclear Laboratory (TUNL, Norra Carolina, USA). Olika reaktionsmekanismer användes inklusive proton- och neutronöverföring, termisk neutronfångning, Coulomb-excitation och kärnresonansfluorescens, i kombination med den senaste tekniken för gammastrålning.

Alla data tillsammans gjorde det möjligt att fastställa förekomsten av två sekundära minima i det potentiella energilandskapet för nickel-64, motsvarande oblaterade (tillplattade) och utbredda (långa) ellipsoida former, där prolaten är djup och väl isolerad, vilket indikeras av den signifikant fördröjda övergången till det huvudsakliga sfäriska minimumet.

"Förlängningen av tiden som kärnan tillbringar när den är instängd i prolatminimum av Ni-64 kärnan är inte lika spektakulär som den för de tunga kärnorna, där den når tiotals miljoner gånger. Vi noterade ökningen med bara några tiotals gånger; men det faktum att denna ökning ligger nära den som den nya teoretiska modellen ger, är en stor bedrift, " konstaterar prof. Fornal.

Ett särskilt värdefullt resultat av studien är att identifiera en tidigare oövervägd komponent av kraften som verkar mellan nukleoner i komplexa kärnsystem, den så kallade tensormonopolen, som är ansvarig för det mångfacetterade landskapet av deformation i nickelisotoperna. Forskare förväntar sig att denna interaktion i stor utsträckning är ansvarig för att forma strukturen hos många kärnor som ännu inte har upptäckts.

I ett vidare perspektiv, den presenterade undersökningen visar att det teoretiska tillvägagångssättet som tillämpas här, kunna på ett adekvat sätt förutsäga de unika egenskaperna hos nickelkärnorna, har stor potential i att beskriva egenskaperna hos hundratals kärnkraftssystem som inte är tillgängliga i laboratoriet på jorden idag, men produceras ständigt i stjärnor.