Каква е формата на атомното ядро?

Два модела на ядрото на въглерод С-12

Атомните ядра са изградени от протони и неутрони. Дали градивни им частици са разпределени равномерно в пределите на ядрото или формират групи, като например алфа-частици: квартети, състоящи се от два протона и два неутрона? Съвсем наскоро физици от Полша и Испания представиха идея как този проблем може да се изследва в бъдещи експерименти.

Ядро и алфа частица

Според учебниците, протоните и неутроните са разположени равномерно в ядрата и се движат независимо един от друг. Въпреки това, има много факти, които говорят, че нуклоните в сложните ядра се свързват в малки групи (клъстъри), като споменатите вече хелиеви ядра (алфа-частици). Директните измервания на този ефект са доста трудни и получените резултатите към момента са двусмислени. Можем ли да видим истинското лице на атомното ядро​​?

Идеята, че нуклоните могат да се групират в клъстери в атомните ядра е на повече от 80 години. През 1931 г. Джордж Гамов, известен руски и американски физик, представя хипотезата, че атомните ядра са формирани от алфа-частици. Все още обаче няма еднозначно експериментално доказателство на този факт. От напредналите компютърни симулации е известно, например, че ядрото на берилий Be-9 се формира от два алфа-клъстера и допълнителен неутрон, така че има повече форма на гира отколкото на сфера. Така наречените фрагментационни експерименти, извършени с ускорители, загатват за наличието на клъстери в по-тежките ядра, например, съществуват три клъстъра във въглерод С-12, четири в кислород О-16, десет в калций Ca-40, или четиринадесет в никел Ni-56.

Възможно е да се видят следи от алфа клъстери  в спектрите на частици, образувани в ултра-релативистки сблъсъци на подходящо подбрани ядра. При такива сблъсъци атомните ядра се движат със скорости много близки до скоростта на светлината. Тогава тяхната пространствена конфигурация е "замразена" за изключително краткото време на реакцията. В резултат на сблъсъка, се формира кварк-глуонна плазма, която има поведение на течност и се излива на потоци с различни скорости във всички посоки. Тези различия в скоростите отразяват оригиналната форма на сблъскащите се ядра.

След няколко фемтосекунди (1fs = 10^-15s) се наблюдава интересен момент - течащата плазма изстива и замръзва в адрони, които след това се наблюдават в детектори. Техните скорости са малко по-високи в направленията, където потокът е по-голям. Чрез много точното измерване на скоростите на частиците е възможно да се възстанови информацията за първоначалната форма на сблъскващите се ядра.

Компютърно са моделирани сблъсъци между въглеродни (С-12) и оловни (Pb-208) ядра. Изборът на С-12 не е случаен: ако това ядро се състои от три алфа клъстери, то трябва да има триъгълна форма. В това състояние скоростите на произведените адроните трябва ясно да зависят от посоката: по-бързо се движат в посока, перпендикулярна на ръба на триъгълника, и по-бавно в посоката, показана от ъглите. От друга страна, много тежкото оловно ядро Pb-208 е необходимо, за да се гарантира формирането на потоците от кварк- глуонната плазма.

Посоченият метод е приложим и към по-тежки ядра - например ядрото на кислород О-16, което вероятно има пирамидална форма. Въпреки това, колкото повече клъстери са налице, толкова формата на ядрата се доближава по-ефективно до сферична форма и разликите в скоростите на адроните, ще бъдат по-трудни за откриване.

Свързване на обекти в групи е универсален механизъм за намаляване на енергията на физически системи. Това е безспорен факт във всички мащаби на природата. На микрониво - кварките се групират в триплети за да образуват нуклоните, нуклоните изграждат атомните ядра, атоми се свързват в молекули, капчици вода замразяват в снежни кристали. В космическите мащаби - звездите формират галактики, а галактиките образуват клъстери (купове и свръхкупове от галактики). В природата животните и хората образуват групи през зимата, за да се предпазят от студа и да запазят топлината.

Все още не е категорично сигурно дали протоните и неутроните формират алфа клъстери или «живеят» самостоятелно в ядрата. Въпреки това е налице метод как това да се научи в определени случаи. Следващата стъпка принадлежи на експериментаторите.

Източник:  Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences. Статията е публикувана във Physical Review Letters.