Rozbité atómové jadrá: odhaľujúce ich tajomné tvary

Rozbité atómové jadrá: odhaľujúce ich tajomné tvary

Fyzici objavili nový spôsob, ako študovať tvar atómových jadier – ich zničením pri vysokoenergetických zrážkach. Táto metóda by mohla pomôcť vedcom lepšie pochopiť tvary jadier, čo ovplyvňuje napríklad rýchlosť tvorby prvkov vo hviezdach a pomáha určiť, ktoré materiály sú najvhodnejšie ako jadrové palivo.

„Tvar jadier ovplyvňuje takmer všetky aspekty atómového jadra a jadrových procesov,“ hovorí Jie Meng, jadrový fyzik z Pekingskej univerzity v Pekingu. Nová zobrazovacia metóda, publikovaná 6. novembra v časopise Nature, predstavuje „dôležitý a vzrušujúci pokrok,“ povedala Meng.

Tím z Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) v Národnom laboratóriu Brookhaven v Uptone v New Yorku sa zrazil s dvoma lúčmi uránu-238 - a neskôr s dvoma lúčmi zlata - pri extrémnych energiách. Zrazili sa „tak prudko, že sme jadrá v podstate roztopili na polievku,“ hovorí spoluautor Jiangyong Jia, fyzik na Stony Brook University v New Yorku.

Horúca plazma vytvorená zrážkami sa pod tlakom veľmi rýchlo rozpínala a to súviselo s počiatočným tvarom jadier. Pomocou detektora nazývaného Solenoidal Tracker v RHIC alebo STAR, ktorý detekoval hybnosť niekoľkých tisíc častíc produkovaných oboma typmi kolízií a porovnával výsledky s modelmi, bol tím schopný „vrátiť hodiny a odvodiť tvar jadier,“ vysvetľuje Jia.

Skryté postavy

Atómové jadro sa skladá z protónov a neutrónov, ktoré zaberajú energetické hladiny ako elektróny. Vo všeobecnosti častice nadobúdajú tvar, ktorý minimalizuje energiu systému. Podobne ako kvapka vody, jadro môže nadobudnúť rôzne tvary, vrátane tvaru hrušky, amerického futbalu alebo arašidovej škrupiny. Tvar jadra je „veľmi ťažké teoreticky predpovedať,“ hovorí Jia. Aj ona môže v priebehu času v dôsledku kvantových fluktuácií meniť.

Predchádzajúce experimenty na preskúmanie tvaru zahŕňali odklon iónov s nízkou energiou od jadier. Táto metóda - nazývaná Coulombova excitácia - excituje jadrá a žiarenie, ktoré vyžarujú, keď padajú späť do svojho základného stavu, odhaľuje aspekty ich tvaru. Pretože časová škála je pomerne dlhá, tento typ zobrazovania dokáže zobraziť iba dlhodobý obraz, ktorý zobrazuje priemer všetkých tvarových výkyvov.

Na rozdiel od toho metóda vysokoenergetickej kolízie poskytuje okamžitý obraz jadier počas nárazu. Je to priamejšia metóda, vďaka čomu je vhodnejšia na štúdium exotických tvarov, hovorí Jia.

Technika potvrdila, že zlato malo takmer guľový tvar, ktorý bol konzistentný od jedného obrázku k druhému. Na rozdiel od toho sa tvar uránu na snímkach zmenil, keď sa jadrá zrazili v rôznych orientáciách. To umožnilo výskumníkom vypočítať relatívne dĺžky jadra uránu v troch rozmeroch, čo naznačuje, že urán je nielen natiahnutý, ale aj mierne stlačený v jednom rozmere, podobne ako pri vyfúknutom americkom futbale.

„Je fascinujúce, že to fungovalo“ a že iné jadrové procesy neovplyvnili emisiu častíc a zamaskovali deformáciu, hovorí Magdalena Zielińska, jadrová fyzička z Francúzskej agentúry pre alternatívne energie a atómovú energiu neďaleko Paríža.

Tvrdé alebo mäkké?

Tento typ zobrazovania by mohol pomôcť pri riešení náročnej úlohy rozlišovania medzi jadrami, ktoré sú „tuhé“, čo znamená, že majú dobre definované tvary, a „mäkkými“, ktoré kolíšu, hovorí Zielińska.

Jia hovorí, že jeho tím chce túto metódu použiť aj na štúdium rozdielov medzi ľahkými iónmi, ako je kyslík a neón. Kyslíkové jadrá sú takmer guľovité, zatiaľ čo neónové jadrá - ktoré nesú ďalšie dva protóny a dva neutróny - sa považujú za ohnuté. Porovnanie ich tvarov by umožnilo výskumníkom pochopiť, ako protóny a neutróny tvoria zhluky v jadrách, povedal Jia.

Informácie o tvare môžu tiež odhaliť, či je pravdepodobné, že jadrá budú navzájom interagovať alebo prejdú reakciou jadrového štiepenia a môžu zvýšiť pravdepodobnosť procesu tzv. dvojitý bez neutrín β-rozpad zistiť, čo by mohlo pomôcť vyriešiť niektoré dlhotrvajúce záhady fyziky. Asi 99,9 % viditeľnej hmoty je v strede atómov, hovorí Jia. "Pochopenie jadrového stavebného bloku je prakticky jadrom pochopenia toho, kto sme."

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

   Článok
   
   Študovňa Google

Stiahnite si citácie