Rozbitá atomová jádra: Odhalení jejich tajemných tvarů

Rozbitá atomová jádra: Odhalení jejich tajemných tvarů

Fyzici objevili nový způsob, jak studovat tvar atomových jádra - zničením je ve vysoce energetických kolizích. Tato metoda by mohla vědcům pomoci lépe porozumět tvarům jader, které ovlivňují například rychlost tvorby prvků ve hvězdách a pomáhá určit, které materiály jsou nejvhodnější jako jaderné palivo.

"Tvar jader ovlivňuje téměř všechny aspekty atomového jádra a jaderných procesů," říká Jie Meng, jaderný fyzik na Pekingské univerzitě v Pekingu. Nová metoda zobrazování, publikovaná 6. listopadu v časopise Nature, představuje „důležitý a vzrušující pokrok“, řekl Meng.

Tým relativistického těžkých iontových kolider (RHIC) v Brookhaven National Laboratory v Uptonu v New Yorku srazil dva paprsky uran-238-a později dva paprsky zlata-v extrémních energiích. Srazili se „tak násilně, že jsme v podstatě roztavili jádra do polévky,“ říká spoluautor Jiangyong Jia, fyzik na Stony Brook University v New Yorku.

Horká plazma vytvořená kolizemi se velmi rychle rozšířila pod tlakem, což bylo spojeno s počátečním tvarem jádra. Pomocí detektoru zvaného Solenoidální sledovač na Rhic nebo Star, který detekoval hybnost několika tisíc částic produkovaných oběma typy kolizí a odpovídal výsledkům modely, byl tým schopen „vrátit hodiny zpět, aby odvodil tvar jádra,“ vysvětluje Jia.

Skryté postavy

Atomové jádro se skládá z protonů a neutronů, které zabírají energetické hladiny jako elektrony. Obecně se částice týkají tvaru, který minimalizuje energii systému. Podobně jako kapka vody může jádro zaujmout různé tvary, včetně tvaru hrušky, amerického fotbalu nebo arašídové skořápky. Tvar jádra je „velmi obtížné předvídat teoreticky“, říká Jia. Může také v průběhu času kvůli kvantovým výkyvům měnit se.

Předchozí experimenty k prozkoumání tvaru, který se odchýlí od nízkoenergetických iontů od jádra. Tato metoda - nazývaná Coulomb Excitation - vzrušuje jádra a záření, které vyzařují, když ustupují zpět do svého pozemního stavu, odhaluje aspekty jejich tvaru. Protože je časová stupnice relativně dlouhá, může tento typ zobrazení zobrazit pouze dlouhodobý obraz, který ukazuje průměr všech kolísání tvaru.

Naproti tomu metoda kolize s vysokou energií poskytuje okamžitý obraz jader během nárazu. Je to přímá metoda, díky čemuž je vhodnější pro studium exotických tvarů, říká Jia.

Tato technika potvrdila, že zlato mělo téměř sférický tvar, který byl konzistentní od jednoho obrázku k druhému. Naproti tomu tvar uranu se ve snímcích změnil, když se jádra srazila v různých orientacích. To umožnilo vědcům vypočítat relativní délky jádra uranu ve třech rozměrech, což naznačuje, že uran je nejen natažený, ale také mírně komprimován v jedné dimenzi, podobně jako deflovaný americký fotbal.

„Je fascinující, že to fungovalo“ a že jiné jaderné procesy neovlivnily emise částic a maskují deformaci, říká Magdalena Zielińska, jaderný fyzik ve francouzské agentuře pro alternativní energii a atomovou energii poblíž Paříže.

Tvrdý nebo měkký?

Tento typ zobrazování by mohl pomoci vyřešit náročný úkol rozlišovat mezi jádry, která jsou „rigidní“, což znamená, že mají dobře definované tvary a „měkké“, které kolísají, říká Zielińska.

Jia říká, že jeho tým chce také použít metodu ke studiu rozdílů mezi lehkými ionty, jako je Oxygen a Neon. Kyslíková jádra jsou téměř sférická, zatímco neonová jádra - která nesou další dva protony a dva neutrony - se považují za ohnuté. Porovnání jejich tvarů by umožnilo vědcům pochopit, jak protony a neutrony vytvářejí klastry v jádrech, uvedla Jia.

Informace o tvaru mohou také odhalit, zda jádra pravděpodobně budou vzájemně interagovat nebo podstoupit jadernou štěpnou reakci a mohou zvýšit pravděpodobnost volaného procesu Dvojitý neutrino β-dekay Zjistit, co by mohlo pomoci vyřešit některá dlouhodobá záhada ve fyzice. Asi 99,9% viditelné hmoty je ve středu atomů, říká Jia. "Pochopení jaderného stavebního bloku je prakticky v srdci porozumění, kdo jsme."

1. Hvězdná spolupráce příroda https://doi.org/10.1038/S41586-024-08097-2 (2024).

   Článek
   
   Google Scholar

Stáhnout citace