Rozbitá atomová jádra: odhalování jejich tajemných tvarů

Rozbitá atomová jádra: odhalování jejich tajemných tvarů

Fyzici objevili nový způsob, jak studovat tvar atomových jader – jejich zničením ve vysokoenergetických srážkách. Tato metoda by mohla vědcům pomoci lépe porozumět tvarům jader, což ovlivňuje například rychlost tvorby prvků ve hvězdách a pomáhá určit, které materiály jsou nejvhodnější jako jaderné palivo.

„Tvar jader ovlivňuje téměř všechny aspekty atomového jádra a jaderných procesů,“ říká Jie Meng, jaderný fyzik z Pekingské univerzity v Pekingu. Nová zobrazovací metoda, publikovaná 6. listopadu v časopise Nature, představuje „důležitý a vzrušující pokrok,“ řekl Meng.

Tým z Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) v Brookhaven National Laboratory v Uptonu ve státě New York srazil dva paprsky uranu-238 – a později dva paprsky zlata – při extrémních energiích. Srazily se „tak prudce, že jsme v podstatě jádra roztavili na polévku,“ říká spoluautor Jiangyong Jia, fyzik na Stony Brook University v New Yorku.

Horké plazma vytvořené srážkami se pod tlakem velmi rychle rozpínalo, a to souviselo s počátečním tvarem jader. Pomocí detektoru zvaného Solenoidal Tracker v RHIC nebo STAR, který detekoval hybnost několika tisíc částic produkovaných oběma typy kolizí a porovnával výsledky s modely, byl tým schopen „otočit hodiny zpět, aby odvodil tvar jader,“ vysvětluje Jia.

Skryté postavy

Atomové jádro se skládá z protonů a neutronů, které zabírají energetické hladiny jako elektrony. Obecně platí, že částice nabývají tvaru, který minimalizuje energii systému. Podobně jako kapka vody může jádro nabývat různých tvarů, včetně tvaru hrušky, amerického fotbalu nebo arašídové skořápky. Tvar jádra je „velmi obtížné teoreticky předpovědět,“ říká Jia. Ona taky může v průběhu času kvůli kvantovým fluktuacím lišit.

Předchozí experimenty k prozkoumání tvaru zahrnovaly vychylování nízkoenergetických iontů pryč od jader. Tato metoda - nazývaná Coulombova excitace - excituje jádra a záření, které vyzařují, když padají zpět do svého základního stavu, odhaluje aspekty jejich tvaru. Vzhledem k tomu, že časové měřítko je relativně dlouhé, může tento typ zobrazování zobrazit pouze dlouhodobý obraz, který zobrazuje průměr všech tvarových výkyvů.

Naproti tomu metoda vysokoenergetické srážky poskytuje okamžitý obraz jader během dopadu. Je to přímější metoda, takže je vhodnější pro studium exotických tvarů, říká Jia.

Technika potvrdila, že zlato mělo téměř kulový tvar, který byl konzistentní od jednoho obrázku k druhému. Naproti tomu tvar uranu se na snímcích změnil, když se jádra srazila v různých orientacích. To umožnilo výzkumníkům vypočítat relativní délky uranového jádra ve třech rozměrech, což naznačuje, že uran je nejen natažen, ale také mírně stlačen v jednom rozměru, podobně jako vyfouknutý americký fotbal.

"Je fascinující, že to fungovalo" a že další jaderné procesy neovlivnily emisi částic a zamaskovaly deformaci, říká Magdalena Zielińska, jaderná fyzička z Francouzské agentury pro alternativní energie a atomovou energii poblíž Paříže.

Tvrdé nebo měkké?

Tento typ zobrazování by mohl pomoci vyřešit náročný úkol rozlišovat mezi jádry, která jsou „tuhá“, což znamená, že mají dobře definované tvary, a „měkkými“, které kolísají, říká Zielińska.

Jia říká, že jeho tým chce také použít metodu ke studiu rozdílů mezi lehkými ionty, jako je kyslík a neon. Kyslíková jádra jsou téměř kulovitá, zatímco neonová jádra - která nesou další dva protony a dva neutrony - jsou považována za ohnutá. Porovnání jejich tvarů by výzkumníkům umožnilo pochopit, jak protony a neutrony tvoří shluky v jádrech, řekl Jia.

Informace o tvaru mohou také odhalit, zda je pravděpodobné, že jádra budou vzájemně interagovat nebo projdou reakcí jaderného štěpení, a mohou zvýšit pravděpodobnost procesu tzv. dvojitý bez neutrin β-rozpad zjistit, co by mohlo pomoci vyřešit některé dlouhotrvající záhady ve fyzice. Asi 99,9 % viditelné hmoty je ve středu atomů, říká Jia. "Porozumění jadernému stavebnímu bloku je prakticky jádrem pochopení toho, kdo jsme."

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

   Článek
   
   Google Scholar

Stáhnout citace