Razbijene atomske jezgre: otkrivanje njihovih tajanstvenih oblika

Razbijene atomske jezgre: otkrivanje njihovih tajanstvenih oblika

Fizičari su otkrili novi način proučavanja oblika atomskih jezgri - uništavajući ih u sudarima visoke energije. Ova bi metoda mogla pomoći znanstvenicima da bolje razumiju oblike jezgri, što utječe, na primjer, na brzinu formiranja elemenata u zvijezdama i pomaže u određivanju materijala koji su najprikladniji kao nuklearno gorivo.

"Oblik jezgri utječe na gotovo sve aspekte atomske jezgre i nuklearnih procesa", kaže Jie Meng, nuklearni fizičar sa Sveučilišta Peking u Pekingu. Nova metoda snimanja, objavljena 6. studenog u časopisu Nature, predstavlja "važan i uzbudljiv napredak", rekao je Meng.

Tim na Relativističkom sudaraču teških iona (RHIC) u Nacionalnom laboratoriju Brookhaven u Uptonu, New York, sudario je dva snopa urana-238—i kasnije dva snopa zlata—na ekstremnim energijama. Sudarili su se "tako žestoko da smo jezgre zapravo otopili u juhu", kaže koautor Jiangyong Jia, fizičar sa Sveučilišta Stony Brook u New Yorku.

Vruća plazma stvorena sudarima vrlo se brzo širila pod pritiskom, a to je bilo povezano s početnim oblikom jezgri. Koristeći detektor nazvan Solenoidal Tracker na RHIC-u, ili STAR, koji je detektirao momentum nekoliko tisuća čestica koje su proizvele obje vrste sudara i uskladio rezultate s modelima, tim je uspio "vratiti sat unatrag kako bi zaključio o obliku jezgri", objašnjava Jia.

Skrivene figure

Atomska jezgra sastoji se od protona i neutrona, koji zauzimaju energetske razine poput elektrona. Općenito, čestice poprimaju oblik koji minimizira energiju sustava. Slično kapi vode, jezgra može poprimiti različite oblike, uključujući oblik kruške, američkog nogometa ili ljuske kikirikija. Oblik jezgre je "teoretski vrlo teško predvidjeti", kaže Jia. Može i ona tijekom vremena zbog kvantnih fluktuacija varirati.

Prethodni eksperimenti za istraživanje oblika uključivali su skretanje niskoenergetskih iona od jezgri. Ova metoda - nazvana Coulombova ekscitacija - pobuđuje jezgre, a zračenje koje emitiraju dok se vraćaju u svoje osnovno stanje otkriva aspekte njihova oblika. Budući da je vremenska skala relativno duga, ova vrsta snimanja može prikazati samo dugoročnu sliku koja prikazuje prosjek svih fluktuacija oblika.

Nasuprot tome, metoda sudara visoke energije daje trenutnu sliku jezgri tijekom udara. To je izravnija metoda, što je čini prikladnijom za proučavanje egzotičnih oblika, kaže Jia.

Tehnika je potvrdila da zlato ima gotovo sferni oblik koji je postojan od jedne slike do druge. Nasuprot tome, oblik urana mijenjao se na snimkama kako su se jezgre sudarale u različitim orijentacijama. To je omogućilo istraživačima da izračunaju relativne duljine jezgre urana u tri dimenzije, što sugerira da je uran ne samo rastegnut, već i blago stlačen u jednoj dimenziji, slično ispuhanom američkom nogometu.

"Fascinantno je da je uspjelo" i da drugi nuklearni procesi nisu utjecali na emisiju čestica i prikrili deformaciju, kaže Magdalena Zielińska, nuklearna fizičarka u Francuskoj agenciji za alternativne energije i atomsku energiju u blizini Pariza.

Tvrdo ili meko?

Ova vrsta snimanja mogla bi pomoći u rješavanju izazovnog zadatka razlikovanja između jezgri koje su 'krute', što znači da imaju dobro definirane oblike, i onih 'mekih' koje fluktuiraju, kaže Zielińska.

Jia kaže da njegov tim također želi koristiti metodu za proučavanje razlika između lakih iona poput kisika i neona. Jezgre kisika su gotovo sferične, dok se jezgre neona - koje nose dodatna dva protona i dva neutrona - smatraju izvijenima. Usporedba njihovih oblika omogućila bi istraživačima da razumiju kako protoni i neutroni tvore klastere u jezgri, rekao je Jia.

Informacije o obliku također mogu otkriti postoji li vjerojatnost da će jezgre međusobno djelovati ili biti podvrgnute reakciji nuklearne fisije te mogu povećati vjerojatnost procesa tzv. dvostruki bez neutrina β-raspad otkriti što bi moglo pomoći u rješavanju nekih dugotrajnih misterija u fizici. Oko 99,9% vidljive materije nalazi se u središtu atoma, kaže Jia. "Razumijevanje nuklearnog građevnog bloka gotovo je u srcu razumijevanja tko smo."

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

   Članak
   
   Google znalac

Preuzmite citate