Новое исследование открывает путь к точным расчетам строения атомных ядер

В исследовании, которое объединяет экспериментальную работу и теоретические расчеты, которые стали возможными благодаря суперкомпьютерам, ученые определили ядерную геометрию двух изотопов бора. Результат может помочь открыть путь к точным расчетам структуры других ядер, которые ученые могли бы экспериментально подтвердить.

Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории в сотрудничестве с учеными из Германии и Польши определили разницу в величине, известной как радиус заряда ядра между бором-10 и бором-11. Радиус заряда ядра указывает на размер атомного ядра, которое часто имеет относительно нечеткие края.

Радиусы ядерных зарядов трудно вычислить с высокой точностью для атомов, гораздо больших, чем бор, из-за огромного количества нейтронов и протонов, свойства и взаимодействия которых должны быть получены из квантовой механики.

Ядерная теория строится на основе квантовой хромодинамики (КХД), набора физических правил, применимых к кваркам и глюонам, составляющим протоны и нейтроны внутри ядра. Но попытка решить ядерную динамику с использованием одной КХД была бы почти невозможной задачей из-за ее сложности, и исследователи должны полагаться, по крайней мере, на некоторые упрощающие предположения.

Поскольку бор относительно легкий — всего пять протонов и несколько нейтронов — команда смогла успешно смоделировать два изотопа бора на суперкомпьютере Mira и изучить их экспериментально с помощью лазерной спектроскопии.

«Это одно из самых сложных атомных ядер, для которого можно получить точные измерения экспериментально и теоретически», — сказал физик-ядерщик Питер Мюллер.

Рассмотрение того, как ядерные конфигурации бора-11 (¹¹B) и бора-10 (¹⁰B) различались, включало в себя определение в необычайно малых масштабах длины: меньше, чем фемтометр — одна квадриллионная часть метра. Исследователи определили, что 11 нуклонов в боре-11 на самом деле занимают меньший объем, чем 10 нуклонов в боре-10.

Чтобы экспериментально взглянуть на изотопы бора, ученые из Дармштадтского университета провели лазерную спектроскопию на образцах изотопов, которые флуоресцируют на разных частотах. В то время как большая часть различий в картинах флуоресценции вызвана разницей в массе между изотопами, в измерении есть компонент, который отражает размер ядра.

Чтобы отделить эти компоненты, сотрудники Варшавского университета и Университета Адама Мицкевича в Познани выполнили самые современные расчеты атомной теории, которые точно описывают сложный «танец» пяти электронов вокруг ядра в атоме бора.

Хорошее согласие между экспериментом и теорией в отношении размеров ядра позволяет исследователям с большей достоверностью определять и другие свойства изотопа, такие как скорость его бета-распада. «Способность проводить расчеты и проводить эксперименты неразрывно связаны между собой, чтобы подтвердить и закрепить наши выводы», — говорят ученые.

Следующий этап исследования, вероятно, будет включать изучение бора-8, который нестабилен и имеет период полураспада около секунды. По словам ученых, поскольку в ядре меньше нейтронов, оно гораздо менее тесно связано, чем его стабильные соседи, и, как полагают, имеет расширенный радиус заряда.

«Существует такой прогноз, но только эксперимент покажет нам, насколько хорошо он фактически моделирует эту слабо связанную систему», — поясняют физики.

Bernhard Maaß et al, Nuclear Charge Radii of B10,11, Physical Review Letters(2019). DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.182501