Nuclee atomice sparte: dezvăluirea formelor lor misterioase

Nuclee atomice sparte: dezvăluirea formelor lor misterioase

Fizicienii au descoperit o nouă modalitate de a studia forma nucleelor ​​atomice - prin distrugerea lor în ciocniri de mare energie. Această metodă ar putea ajuta oamenii de știință să înțeleagă mai bine formele nucleelor, ceea ce influențează, de exemplu, rata de formare a elementelor în stele și ajută la determinarea materialelor care sunt cele mai potrivite ca combustibil nuclear.

„Forma nucleelor ​​influențează aproape toate aspectele nucleului atomic și ale proceselor nucleare”, spune Jie Meng, fizician nuclear la Universitatea Peking din Beijing. Noua metodă de imagistică, publicată pe 6 noiembrie în revista Nature, reprezintă „un progres important și interesant”, a spus Meng.

O echipă de la Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) de la Brookhaven National Laboratory din Upton, New York, a ciocnit două fascicule de uraniu-238 – și mai târziu două fascicule de aur – la energii extreme. S-au ciocnit „atât de violent, încât practic am topit nucleele într-o supă”, spune coautorul Jiangyong Jia, fizician la Universitatea Stony Brook din New York.

Plasma fierbinte creată de ciocniri s-a extins foarte rapid sub presiune, iar acest lucru a fost legat de forma inițială a nucleelor. Folosind un detector numit Solenoidal Tracker de la RHIC sau STAR, care a detectat impulsul a câteva mii de particule produse de ambele tipuri de coliziuni și a corelat rezultatele cu modelele, echipa a reușit să „întoarcă ceasul înapoi pentru a deduce forma nucleelor”, explică Jia.

Cifre ascunse

Un nucleu atomic este format din protoni și neutroni, care ocupă niveluri de energie precum electronii. În general, particulele capătă o formă care minimizează energia sistemului. Similar cu o picătură de apă, miezul poate lua diferite forme, inclusiv cea de pară, fotbal american sau coajă de arahide. Forma unui nucleu este „foarte dificil de prezis teoretic”, spune Jia. Poate și ea în timp datorită fluctuaţiilor cuantice varia.

Experimentele anterioare de explorare a formei au implicat devierea ionilor cu energie scăzută departe de nuclee. Această metodă - numită excitație Coulomb - excită nucleele, iar radiația pe care o emit pe măsură ce revin la starea lor fundamentală dezvăluie aspecte ale formei lor. Deoarece scara de timp este relativ lungă, acest tip de imagistică poate afișa doar o imagine pe termen lung care arată media tuturor fluctuațiilor de formă.

În schimb, metoda coliziunii de înaltă energie oferă o imagine instantanee a nucleelor ​​în timpul impactului. Este o metodă mai directă, ceea ce o face mai potrivită pentru studiul formelor exotice, spune Jia.

Tehnica a confirmat că aurul avea o formă aproape sferică, care era consistentă de la o imagine la alta. În schimb, forma uraniului s-a schimbat în instantanee pe măsură ce nucleele s-au ciocnit în orientări diferite. Acest lucru a permis cercetătorilor să calculeze lungimile relative ale nucleului de uraniu în trei dimensiuni, sugerând că uraniul nu este doar întins, ci și ușor comprimat într-o singură dimensiune, similar unui fotbal american dezumflat.

„Este fascinant că a funcționat” și că alte procese nucleare nu au afectat emisia particulelor și nu au mascat deformarea, spune Magdalena Zielińska, fizician nuclear la Agenția Franceză pentru Energii Alternative și Energie Atomică de lângă Paris.

Tare sau moale?

Acest tip de imagistică ar putea ajuta la abordarea sarcinii dificile de a distinge între nucleele care sunt „rigide”, adică au forme bine definite, și cele „moale”, care fluctuează, spune Zielińska.

Jia spune că echipa sa vrea, de asemenea, să folosească metoda pentru a studia diferențele dintre ionii de lumină precum oxigenul și neonul. Nucleele de oxigen sunt aproape sferice, în timp ce nucleele de neon - care transportă încă doi protoni și doi neutroni - sunt considerate a fi îndoite. Compararea formelor lor ar permite cercetătorilor să înțeleagă cum protonii și neutronii formează grupuri în nuclee, a spus Jia.

Informațiile despre formă pot dezvălui, de asemenea, dacă nucleele sunt susceptibile de a interacționa între ele sau de a suferi o reacție de fisiune nucleară și pot crește probabilitatea unui proces numit dublu fără neutrini β-degradare pentru a descoperi ce ar putea ajuta la rezolvarea unor mistere de lungă durată din fizică. Aproximativ 99,9% din materia vizibilă se află în centrul atomilor, spune Jia. „Înțelegerea blocului nuclear este practic în centrul înțelegerii cine suntem.”

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

   Articol
   
   Google Academic

Descărcați citate