La fisica nucleare si fonda su uno dei concetti più eleganti e produttivi della moderna fisica teorica: i numeri magici, valori specifici del numero di protoni o neutroni — 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 — che conferiscono ai nuclei atomici una stabilità eccezionale, analoga a quella degli elettroni nei gas nobili. Quando un nucleo si allontana da queste configurazioni privilegiate, possono emergere comportamenti anomali, tra cui la perdita della simmetria sferica e la comparsa di forme fortemente deformate. Gli fisici nucleari hanno battezzato queste zone del diagramma nucleare con il nome evocativo di Isole di Inversione: regioni in cui le regole ordinarie della struttura nucleare sembrano improvvisamente non valere più. Fino ad oggi, tali isole erano state rinvenute esclusivamente in nuclei ricchi di neutroni e lontani dalla stabilità, come il berillio-12, il magnesio-32 e il cromo-64. Un nuovo studio internazionale ha ora capovolto questa convinzione consolidata, identificando per la prima volta un'Isola di Inversione in una regione del tutto inaspettata del panorama nucleare.
La ricerca, condotta da un team che include scienziati del Center for Exotic Nuclear Studies dell'Institute for Basic Science (IBS), dell'Università di Padova, della Michigan State University, dell'Università di Strasburgo e di diverse altre istituzioni internazionali, ha preso di mira due isotopi del molibdeno: il molibdeno-84 (con 42 protoni e 42 neutroni, Z = N = 42) e il molibdeno-86 (Z = 42, N = 44). Questi isotopi si collocano lungo la cosiddetta linea N = Z, una zona del diagramma nucleare in cui il numero di protoni e neutroni è uguale o quasi uguale, considerata dagli esperti una delle regioni più simmetriche e fondamentali per la comprensione delle forze nucleari.
La produzione sperimentale di questi isotopi rappresenta una sfida tecnica notevole, dato che si tratta di nuclei rari ed estremamente difficili da generare in laboratorio. Il team ha sfruttato i fasci di isotopi rari disponibili alla Michigan State University: ioni di Mo-92 sono stati accelerati e fatti collidere contro un bersaglio di berillio, generando nuclei di Mo-86 in rapido movimento. Un separatore magnetico denominato A1900 ha poi permesso di isolare i frammenti desiderati dall'abbondante miscela di particelle prodotte dalla collisione. Il fascio di Mo-86 così ottenuto è stato indirizzato su un secondo bersaglio: in questa seconda fase, alcuni nuclei si sono eccitati, mentre altri hanno perso due neutroni trasformandosi in Mo-84.
Man mano che questi nuclei tornavano al loro stato fondamentale di minima energia, emettevano raggi gamma la cui analisi ha fornito informazioni preziose sulla struttura interna. La rivelazione è avvenuta grazie a GRETINA, un array ad alta risoluzione di rivelatori al germanio capace di tracciare le singole interazioni dei fotoni gamma, abbinato a TRIPLEX, uno strumento progettato per misurare durate di vita estremamente brevi — dell'ordine dei picosecondi, ovvero milionesimi di milionesimo di secondo. I dati sperimentali sono stati confrontati con simulazioni Monte Carlo eseguite con il codice GEANT4, consentendo di determinare con precisione le vite medie degli stati eccitati e di stimare il grado di deformazione dei nuclei rispetto alla forma sferica.
Il confronto tra i due isotopi ha rivelato un contrasto sorprendente. Nonostante Mo-84 e Mo-86 differiscano soltanto per due neutroni, il loro comportamento strutturale è radicalmente diverso. Il Mo-84 mostra un livello insolitamente elevato di moto collettivo: un gran numero di protoni e neutroni si muove in modo coordinato attraverso il cosiddetto gap di shell principale, dando origine a quello che i fisici descrivono come un'eccitazione particella-lacuna (particle-hole excitation). In questo processo, alcuni nucleoni "saltano" verso orbitali energetici superiori — diventando "particelle" — lasciando vuoti, o "lacune", negli orbitali inferiori. Quando molti nucleoni partecipano simultaneamente a queste transizioni coordinate, il nucleo assume una forma fortemente deformata rispetto alla sfera.
Le simulazioni teoriche hanno permesso di quantificare questo fenomeno con precisione: nel Mo-84, protoni e neutroni subiscono una gigantesca riorganizzazione di tipo 8p-8h (otto particelle e otto lacune), un riarrangiamento talmente esteso da plasmare il nucleo in una configurazione altamente distorta. Questo effetto emerge dall'interazione tra la simmetria protone-neutrone — particolarmente pronunciata sulla linea N = Z — e un restringimento del gap di shell in corrispondenza di N = Z = 40, che abbassa la barriera energetica necessaria affinché molti nucleoni attraversino il gap contemporaneamente. Il Mo-86, al contrario, esibisce eccitazioni più moderate di tipo 4p-4h e rimane sensibilmente meno deformato, collocandosi al di fuori dell'Isola di Inversione.
Un aspetto metodologicamente significativo riguarda il ruolo delle forze a tre nucleoni: le analisi teoriche hanno dimostrato che i risultati osservati non possono essere riprodotti da modelli che considerano esclusivamente le tradizionali interazioni a due nucleoni. È necessario includere interazioni in cui tre nucleoni si influenzano simultaneamente, un termine correttivo di crescente importanza nella moderna fisica nucleare ab initio. Questa dipendenza metodologica sottolinea quanto la struttura del Mo-84 ponga vincoli stringenti ai modelli teorici più avanzati.
La scoperta, che identifica nel Mo-84 il primo esempio noto di Isola di Inversione in un sistema a simmetria isospinale (denominata dagli autori "Isospin-Symmetric Island of Inversion"), mette in discussione un'assunzione consolidata nella fisica nucleare: che tali anomalie strutturali fossero prerogativa esclusiva di nuclei ricchi di neutroni, lontani dalla stabilità. Il coinvolgimento dell'Università di Padova in questo contesto rappresenta un contributo significativo della ricerca europea a un risultato che ridisegna la mappa delle strutture nucleari possibili.
Le domande aperte che questa scoperta solleva sono numerose e stimolanti. Esistono altre Isole di Inversione nascoste lungo la linea N = Z, magari in regioni del diagramma nucleare ancora inesplorate? In che misura le forze a tre nucleoni modulano la struttura di altri isotopi simmetrici? La risposta a questi interrogativi richiederà misurazioni ancora più precise su isotopi ancora più rari, rese possibili dalla prossima generazione di acceleratori, come la Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) della Michigan State University, pienamente operativa, e i progetti europei come FAIR a Darmstadt.
