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Nuclei a pera

Alcuni nuclei pesanti non sono simmetrici per riflessione: hanno una forma a pera (deformazione ottupolare \(Y_{30}\)). Firma spettroscopica: banda a parità alternata \(0^+,1^-,2^+,3^-,\dots\) e doppietto di parità — che è il doppietto di tunneling di una doppia buca nella coordinata \(\beta_3\). Tabelle dei nuclei dal backend Python (via gw2py).

La stessa doppia buca dell'inversione dell'ammoniaca e del trasferimento protonico, su scala nucleare: i due minimi sono «pera su» e «pera giù», la parità è la riflessione β₃ → −β₃.

Alcuni nuclei pesanti non sono simmetrici per riflessione: hanno una forma a pera (deformazione ottupolare).

Oltre il quadrupolo: l'ottupolo

La superficie nucleare si espande in armoniche sferiche. Oltre alla deformazione quadrupolare (\(\lambda=2\), il «pallone da rugby»), alcuni nuclei aggiungono una componente ottupolare (\(\lambda=3\)):

\[ R(\theta)=R_0\big[1+\beta_2\,Y_{20}(\theta)+\beta_3\,Y_{30}(\theta)\big], \]

con \(Y_{30}\propto P_3(\cos\theta)=\tfrac12(5\cos^3\theta-3\cos\theta)\). Poiché \(P_3\) è dispari (\(P_3(-x)=-P_3(x)\)), il termine \(\beta_3\) rompe la simmetria di riflessione: un polo si allarga, l'altro si assottiglia → forma a pera.

Firma spettroscopica: banda a parità alternata

Una pera che ruota genera una banda rotazionale con parità alternata: \(0^+,1^-,2^+,3^-,4^+,5^-,\dots\) tutti sulla stessa curva \(E\propto I(I+1)\). Gli stati di parità opposta sono collegati da transizioni E1 intense (effetto «parafulmine»: la carica si accumula sulla punta → il centro di carica si separa dal centro di massa → momento di dipolo intrinseco) e da forti momenti E3.

Statica o dinamica?

  • Pera statica (rigida): \(\beta_3\) fisso, forma a pera stabile. La banda di parità negativa scende fino a quasi fondersi con quella positiva → doppietto di parità quasi degenere. Confermata in ²²⁴Ra e ²²⁶Ra (Gaffney, Nature 2013).
  • Vibratore ottupolare (dinamico): la pera oscilla attorno alla forma simmetrica (\(\beta_3\) oscilla intorno a 0). La banda negativa resta spostata in alto. È il caso dei radon (²²⁰Rn) e di ²²⁸Th.

Perché contano

Una pera con momento di dipolo amplifica un eventuale momento di dipolo elettrico (EDM) atomico: i nuclei a pera (es. ²²⁵Ra, doppietto di parità a 55 keV) sono candidati privilegiati per cercare violazioni di simmetria oltre il Modello Standard.

Nucleo
Metodo

Forma \(R(\theta)=R_0[1+\beta_2 Y_{20}+\beta_3 Y_{30}]\); il doppietto di parità è il doppietto di tunneling della doppia buca in \(\beta_3\). Parametri (\(\beta_3\), splitting) caratteristici/adottati per il regime statico o dinamico, dalla tabella del backend. Nella visualizzazione puoi variare \(\beta_3\) a mano.

Forma a pera che ruota
β₃
velocità dipolo intrinseco
Doppia buca in β₃
Banda a parità alternata
β₂ (quadrupolo)
β₃ (ottupolo)
Dipolo intr.
Splitting di parità
Regime

Le funzioni speciali, i fili con le altre pagine e i limiti del modello.

Doppio filo: Legendre P₃ e la doppia buca

La forma è il polinomio di Legendre \(P_3\) (armonica sferica \(Y_{30}\)) — stessa famiglia del quadrupolo della pagina nucleo collettivo, un grado più in su. E il doppietto di parità è il doppietto di tunneling di una doppia buca nella coordinata \(\beta_3\): i due minimi sono «pera su» e «pera giù», la parità è la riflessione \(\beta_3\to-\beta_3\). Barriera profonda (pera rigida) → doppietto quasi degenere; barriera bassa (ottupolo molle) → splitting grande. È letteralmente la fisica di tunneling degli istantoni, su scala nucleare.

Il momento E3, indicatore affidabile

Il momento di dipolo E1 nasce dalla piccola separazione centro-di-carica / centro-di-massa (\(\propto\beta_2\beta_3\)) ma soffre di cancellazioni (in ²²⁴Ra e ¹⁴⁶Ba risulta quasi nullo). Il momento E3, che dipende dalla distribuzione di carica riflessione-asimmetrica nell'intero volume, è l'indicatore collettivo affidabile della pera.

Regioni di ottupolo

La pera compare dove i numeri di nucleoni sono \(\approx 34,56,88,134\) (livelli di parità opposta vicini a Fermi): regione di Ra/Th (\(Z\approx88,N\approx134\)) e regione di Ba/Nd (\(Z\approx56,N\approx88\), es. ¹⁴⁴Ba, ¹⁴⁸Nd).

Cosa manca (onestà)

Questo è il quadro collettivo geometrico: riproduce forma, banda a parità alternata e la logica statico/dinamico, ma i valori qui adottati (\(\beta_3\), splitting) sono caratteristici/parametrizzati. La descrizione microscopica è l'HFB con proiezione di parità o il metodo della coordinata generatrice (GCM) sull'Hamiltoniana collettiva quadrupolo-ottupolo — eseguibile dal backend, fuori portata per un'anteprima browser.

Riferimenti

  1. L. P. Gaffney et al., «Studies of pear-shaped nuclei using accelerated radioactive beams», Nature 497, 199 (2013). doi.
  2. P. A. Butler, W. Nazarewicz, «Intrinsic reflection asymmetry in atomic nuclei», Rev. Mod. Phys. 68, 349 (1996). doi.
  3. P. A. Butler, «Octupole collectivity in nuclei», J. Phys. G 43, 073002 (2016). doi.
  4. P. A. Butler et al., «Observation of vibrating pear-shapes in radon nuclei», Nat. Commun. 10, 2473 (2019). doi.
  5. G. A. Leander, Y. S. Chen, «Reflection-asymmetric rotor model», Phys. Rev. C 37, 2744 (1988). doi.

WebNIR · IFAC-CNR  |  interfaccia dimostrativa — tabelle dei nuclei dal backend Python (gw2py).

Keywords: nuclei a pera, deformazione ottupolare, Y30, banda a parità alternata, doppietto di parità, radio, momento E3, EDM