Столкновение атомов раскрывает формы их ядер

Физики нашли новый способ изучения формы атомных ядер — уничтожая их в столкновениях высокой энергии. Этот метод может помочь ученым лучше понять формы ядер, которые, например, влияют на скорость образования элементов в звездах, и помочь определить, какие материалы являются лучшим ядерным топливом.

«Форма ядер влияет почти на все аспекты атомного ядра и ядерных процессов», — говорит Цзе Мэн, физик-ядерщик из Пекинского университета. Новый метод визуализации это «важный и захватывающий прогресс».

Команда ученых на коллайдере релятивистских тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории столкнула два пучка урана-238 — а позже и два пучка золота — на экстремальных энергиях. Они ударили по ним «так сильно, что мы фактически расплавили ядра», — говорит соавтор исследования Цзянъюн Цзян, физик из Университета Стоуни-Брук в Нью-Йорке.

Горячая плазма, полученная в результате столкновений, очень быстро расширялась под давлением, что было связано с первоначальной формой ядер. Используя детектор под названием Solenoidal Tracker на RHIC, чтобы найти импульс каждой из тысяч частиц, созданных обоими типами столкновений, и сопоставив результаты с моделями, физики смогли «отмотать время назад, чтобы сделать вывод о форме ядер».

Скрытые фигуры

Атомное ядро ​​состоит из протонов и нейтронов, которые, как и электроны, заполняют энергетические оболочки. Как правило, частицы принимают форму, которая минимизирует энергию системы. Подобно капле жидкости, ядро ​​может принимать различные формы, включая форму груши, мяча для регби или арахисовой скорлупы. Форму ядра «очень трудно предсказать из теории», говорят ученые. Она также может меняться со временем из-за квантовых флуктуаций.

Прошлые эксперименты по исследованию формы включали отклонение низкоэнергетических ионов от ядер. Этот метод — называемый кулоновским возбуждением — возбуждает ядра, и излучение, которое они испускают, возвращаясь в основное состояние, раскрывает аспекты их формы. Но временная шкала относительно длинная, поэтому этот вид визуализации может дать только снимок с большой выдержкой, показывающий среднее значение любых флуктуаций формы.

Напротив, метод высокоэнергетического столкновения дает мгновенный снимок ядер во время удара. Это более прямой метод, что делает его более подходящим для изучения экзотических форм.

Метод подтвердил, что ядро золота имело почти сферическую форму, которая была постоянной от одного изображения к другому. Для сравнения, уран менялся на снимках, когда ядра сталкивались в разных ориентациях. Это позволило исследователям вычислить относительные длины его ядра в трех пространственных измерениях, указывая на то, что уран не только вытянут, но и слегка сжат в одном измерении, как сдутый футбольный мяч.

Твердое или мягкое?

Ученые считают, что такой вид визуализации может помочь в решении сложной задачи различения «жестких» ядер с четко определенной формой и «мягких», флуктуирующих ядер.

Они также хотели бы применить этот метод для изучения различий между более легкими атомами, такими как кислород и неон. Ядра кислорода почти сферические, тогда как ядра неона, которые несут два дополнительных протона и два нейтрона, как полагают, выпуклой формы. Сравнение их форм позволит исследователям понять, как протоны и нейтроны образуют кластеры в ядрах.

Информация о форме также может раскрыть вероятность взаимодействия ядер или ядерного деления, а также повысить вероятность обнаружения процесса, называемого двойным β-распадом без нейтрино, который может помочь решить некоторые давние загадки физики. Около 99,9% видимой материи находится в центре атомов. «Понимание ядерного строительного блока по сути лежит в основе понимания того, кем мы являемся» — делают вывод ученые.

Исследование было опубликовано в журнале Nature.