Rozbite jądra atomowe: odsłanianie ich tajemniczych kształtów

Rozbite jądra atomowe: odsłanianie ich tajemniczych kształtów

Fizycy odkryli nowy sposób badania kształtu jąder atomowych - niszcząc je w zderzeniach wysokoenergetycznych. Metoda ta może pomóc naukowcom lepiej zrozumieć kształty jąder, co wpływa na przykład na tempo powstawania pierwiastków w gwiazdach i pomaga określić, które materiały najlepiej nadają się na paliwo jądrowe.

„Kształt jąder wpływa na prawie wszystkie aspekty jądra atomowego i procesów jądrowych” – mówi Jie Meng, fizyk jądrowy na Uniwersytecie Pekińskim w Pekinie. Nowa metoda obrazowania, opublikowana 6 listopada w czasopiśmie Nature, stanowi „ważny i ekscytujący postęp” – stwierdziła Meng.

Zespół Relatywistycznego Zderzacza Ciężkich Jonów (RHIC) w Brookhaven National Laboratory w Upton w stanie Nowy Jork zderzył dwie wiązki uranu-238 – a później dwie wiązki złota – przy ekstremalnych energiach. Zderzyły się „tak gwałtownie, że w zasadzie stopiliśmy jądra, tworząc zupę” – mówi współautorka Jiangyong Jia, fizyk z Uniwersytetu Stony Brook w Nowym Jorku.

Gorąca plazma powstająca w wyniku zderzeń rozszerzała się bardzo szybko pod ciśnieniem, co powiązano z początkowym kształtem jąder. Wykorzystując detektor o nazwie Solenoidal Tracker w RHIC, w skrócie STAR, który wykrył pęd kilku tysięcy cząstek powstałych w wyniku obu typów zderzeń i porównał wyniki z modelami, zespół był w stanie „cofnąć zegar, aby wywnioskować kształt jąder” – wyjaśnia Jia.

Ukryte postacie

Jądro atomowe składa się z protonów i neutronów, które zajmują poziomy energetyczne takie jak elektrony. Ogólnie rzecz biorąc, cząstki przyjmują kształt minimalizujący energię układu. Podobnie jak kropla wody, rdzeń może przybierać różne kształty, na przykład gruszkę, futbol amerykański lub łupinę orzeszka ziemnego. Kształt jądra jest „bardzo trudny do przewidzenia teoretycznie” – mówi Jia. Ona też może w czasie wskutek fluktuacji kwantowych różnić się.

Poprzednie eksperymenty mające na celu zbadanie kształtu polegały na odchylaniu jonów o niskiej energii od jąder. Metoda ta – zwana wzbudzeniem Coulomba – pobudza jądra, a promieniowanie, które emitują, gdy wracają do stanu podstawowego, ujawnia pewne aspekty ich kształtu. Ponieważ skala czasu jest stosunkowo długa, ten typ obrazowania może wyświetlić jedynie obraz długoterminowy, który pokazuje średnią wszystkich wahań kształtu.

Natomiast metoda zderzeń wysokoenergetycznych zapewnia natychmiastowy obraz jąder podczas uderzenia. To bardziej bezpośrednia metoda, dzięki czemu lepiej nadaje się do badania egzotycznych kształtów, mówi Jia.

Technika potwierdziła, że ​​złoto ma niemal kulisty kształt, który jest spójny na każdym zdjęciu. Natomiast kształt uranu zmieniał się na migawkach, gdy jądra zderzały się w różnych orientacjach. Umożliwiło to badaczom obliczenie względnych długości jądra uranu w trzech wymiarach, co sugeruje, że uran jest nie tylko rozciągnięty, ale także lekko ściśnięty w jednym wymiarze, podobnie jak deflowana piłka amerykańska.

„To fascynujące, że to zadziałało” i że inne procesy jądrowe nie wpłynęły na emisję cząstek i nie zamaskowały deformacji – mówi Magdalena Zielińska, fizyk jądrowy we Francuskiej Agencji Energii Alternatywnej i Energii Atomowej pod Paryżem.

Twarde czy miękkie?

Ten typ obrazowania mógłby pomóc w rozwiązaniu trudnego zadania, jakim jest rozróżnienie jąder „sztywnych”, czyli mających dobrze określone kształty, od jąder „miękkich”, które się zmieniają, mówi Zielińska.

Jia twierdzi, że jego zespół chce również zastosować tę metodę do zbadania różnic między lekkimi jonami, takimi jak tlen i neon. Jądra tlenu są prawie kuliste, natomiast jądra neonu – które niosą dodatkowe dwa protony i dwa neutrony – uważa się za wygięte. Porównanie ich kształtów pozwoli naukowcom zrozumieć, w jaki sposób protony i neutrony tworzą skupiska w jądrach, powiedziała Jia.

Informacje o kształcie mogą również ujawnić, czy jądra prawdopodobnie będą ze sobą oddziaływać lub czy ulegną reakcji rozszczepienia jądrowego, a także mogą zwiększyć prawdopodobieństwo zajścia procesu zwanego dublet bez neutrin Rozpad β odkryć, co może pomóc w rozwiązaniu niektórych długotrwałych tajemnic fizyki. Według Jia około 99,9% widzialnej materii znajduje się w środkach atomów. „Zrozumienie atomowego budulca jest praktycznie podstawą zrozumienia, kim jesteśmy”.

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

   Artykuł
   
   Scholar Google

Pobierz cytaty