Σπασμένοι ατομικοί πυρήνες: αποκαλύπτοντας τα μυστηριώδη σχήματά τους

Σπασμένοι ατομικοί πυρήνες: αποκαλύπτοντας τα μυστηριώδη σχήματά τους

Οι φυσικοί ανακάλυψαν έναν νέο τρόπο μελέτης του σχήματος των ατομικών πυρήνων - καταστρέφοντάς τους σε συγκρούσεις υψηλής ενέργειας. Αυτή η μέθοδος θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τα σχήματα των πυρήνων, γεγονός που επηρεάζει, για παράδειγμα, τον ρυθμό σχηματισμού στοιχείων στα αστέρια και βοηθά στον προσδιορισμό των υλικών που ταιριάζουν καλύτερα ως πυρηνικό καύσιμο.

«Το σχήμα των πυρήνων επηρεάζει σχεδόν όλες τις πτυχές του ατομικού πυρήνα και τις πυρηνικές διεργασίες», λέει ο Jie Meng, πυρηνικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Πεκίνου στο Πεκίνο. Η νέα μέθοδος απεικόνισης, που δημοσιεύτηκε στις 6 Νοεμβρίου στο περιοδικό Nature, αντιπροσωπεύει «μια σημαντική και συναρπαστική πρόοδο», είπε ο Meng.

Μια ομάδα στο Σχετικιστικό Επιταχυντή Βαρέων Ιόντων (RHIC) στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven στο Άπτον της Νέας Υόρκης, συγκρούστηκε με δύο δέσμες ουρανίου-238 —και αργότερα δύο δέσμες χρυσού— σε ακραίες ενέργειες. Συγκρούστηκαν «τόσο βίαια που βασικά λιώσαμε τους πυρήνες σε μια σούπα», λέει ο συν-συγγραφέας Jiangyong Jia, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Stony Brook στη Νέα Υόρκη.

Το καυτό πλάσμα που δημιουργήθηκε από τις συγκρούσεις επεκτάθηκε πολύ γρήγορα υπό πίεση, και αυτό συνδέθηκε με το αρχικό σχήμα των πυρήνων. Χρησιμοποιώντας έναν ανιχνευτή που ονομάζεται Solenoidal Tracker στο RHIC, ή STAR, που ανίχνευσε την ορμή πολλών χιλιάδων σωματιδίων που παράγονται και από τους δύο τύπους συγκρούσεων και ταίριαξε τα αποτελέσματα με τα μοντέλα, η ομάδα μπόρεσε να «γυρίσει πίσω το ρολόι για να συμπεράνει το σχήμα των πυρήνων», εξηγεί η Jia.

Κρυμμένες φιγούρες

Ένας ατομικός πυρήνας αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια, τα οποία καταλαμβάνουν ενεργειακά επίπεδα όπως τα ηλεκτρόνια. Γενικά, τα σωματίδια παίρνουν ένα σχήμα που ελαχιστοποιεί την ενέργεια του συστήματος. Παρόμοια με μια σταγόνα νερού, ο πυρήνας μπορεί να πάρει διάφορα σχήματα, συμπεριλαμβανομένου του αχλαδιού, του αμερικανικού ποδοσφαίρου ή του κελύφους φυστικιού. Το σχήμα ενός πυρήνα είναι «πολύ δύσκολο να προβλεφθεί θεωρητικά», λέει η Jia. Μπορεί και αυτή με την πάροδο του χρόνου λόγω κβαντικών διακυμάνσεων ποικίλλω.

Προηγούμενα πειράματα για τη διερεύνηση του σχήματος περιλάμβαναν την εκτροπή ιόντων χαμηλής ενέργειας μακριά από τους πυρήνες. Αυτή η μέθοδος - που ονομάζεται διέγερση Coulomb - διεγείρει τους πυρήνες και η ακτινοβολία που εκπέμπουν καθώς πέφτουν πίσω στη βασική τους κατάσταση αποκαλύπτει πτυχές του σχήματός τους. Επειδή η χρονική κλίμακα είναι σχετικά μεγάλη, αυτός ο τύπος απεικόνισης μπορεί να εμφανίσει μόνο μια μακροπρόθεσμη εικόνα που δείχνει τον μέσο όρο όλων των διακυμάνσεων του σχήματος.

Αντίθετα, η μέθοδος σύγκρουσης υψηλής ενέργειας παρέχει μια στιγμιαία εικόνα των πυρήνων κατά την κρούση. Είναι μια πιο άμεση μέθοδος, καθιστώντας την πιο κατάλληλη για τη μελέτη εξωτικών σχημάτων, λέει η Jia.

Η τεχνική επιβεβαίωσε ότι ο χρυσός είχε ένα σχεδόν σφαιρικό σχήμα που ήταν συνεπές από τη μια εικόνα στην άλλη. Αντίθετα, το σχήμα του ουρανίου άλλαξε στα στιγμιότυπα καθώς οι πυρήνες συγκρούονταν σε διαφορετικούς προσανατολισμούς. Αυτό επέτρεψε στους ερευνητές να υπολογίσουν τα σχετικά μήκη του πυρήνα του ουρανίου σε τρεις διαστάσεις, υποδηλώνοντας ότι το ουράνιο δεν είναι μόνο τεντωμένο αλλά και ελαφρώς συμπιεσμένο σε μία διάσταση, παρόμοια με ένα ξεφουσκωμένο αμερικανικό ποδόσφαιρο.

«Είναι συναρπαστικό που λειτούργησε» και ότι άλλες πυρηνικές διεργασίες δεν επηρέασαν την εκπομπή των σωματιδίων και συγκαλύπτουν την παραμόρφωση, λέει η Magdalena Zielińska, πυρηνικός φυσικός στη Γαλλική Υπηρεσία Εναλλακτικών Ενεργειών και Ατομικής Ενέργειας κοντά στο Παρίσι.

Σκληρό ή μαλακό;

Αυτός ο τύπος απεικόνισης θα μπορούσε να βοηθήσει στην αντιμετώπιση του δύσκολου έργου της διάκρισης μεταξύ πυρήνων που είναι «άκαμπτοι», που σημαίνει ότι έχουν καλά καθορισμένα σχήματα και «μαλακά» που κυμαίνονται, λέει η Zielińska.

Ο Jia λέει ότι η ομάδα του θέλει επίσης να χρησιμοποιήσει τη μέθοδο για να μελετήσει τις διαφορές μεταξύ ιόντων φωτός όπως το οξυγόνο και το νέο. Οι πυρήνες οξυγόνου είναι σχεδόν σφαιρικοί, ενώ οι πυρήνες νέον - οι οποίοι φέρουν επιπλέον δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια - θεωρούνται λυγισμένοι προς τα έξω. Η σύγκριση των σχημάτων τους θα επέτρεπε στους ερευνητές να καταλάβουν πώς τα πρωτόνια και τα νετρόνια σχηματίζουν σμήνη στους πυρήνες, είπε η Jia.

Οι πληροφορίες σχετικά με το σχήμα μπορούν επίσης να αποκαλύψουν εάν οι πυρήνες είναι πιθανό να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους ή να υποστούν μια αντίδραση πυρηνικής σχάσης και μπορεί να αυξήσουν την πιθανότητα μιας διαδικασίας που ονομάζεται διπλό χωρίς νετρίνα β-διάσπαση να ανακαλύψει τι μπορεί να βοηθήσει στην επίλυση ορισμένων μακροχρόνιων μυστηρίων στη φυσική. Περίπου το 99,9% της ορατής ύλης βρίσκεται στο κέντρο των ατόμων, λέει η Jia. «Η κατανόηση του πυρηνικού δομικού στοιχείου είναι ουσιαστικά στο επίκεντρο της κατανόησης του ποιοι είμαστε».

1. STAR Collaboration Nature https://doi.org/10.1038/s41586-024-08097-2 (2024).

   Αρθρο
   
   Google Scholar

Λήψη παραπομπών