Aktualności
Badania
04 Listopada
Źródło: IFJ PAN
Opublikowano: 2022-11-04

„Rozciągnięte” stany jądrowe pod lupą krakowskiego cyklotronu

Lekkie jądra atomowe zdominowały cały Wszechświat. Wiedzę o nich udało się właśnie poszerzyć dzięki przeprowadzonym w Krakowie badaniom akceleratorowym nad specyficznymi stanami wzbudzonymi jąder węgla 13C.

Precyzyjna obserwacja zjawisk zachodzących w jądrach atomowych, zwłaszcza stanów o wysokich energiach, to zadanie ekstremalnie trudne zarówno od strony technicznej, jak i teoretycznej. Istnieją jednak odmiany wysoko położonych w energii wzbudzeń jąder atomowych, które z uwagi na swoją specyficzną strukturę mogą być obserwowane i interpretowane z dużą dokładnością. Zespół fizyków z Polski, Włoch, Francji, Belgii, Holandii, Niemiec i Rumunii przeprowadził serię pomiarów takich stanów w Centrum Cyklotronowym Bronowice w Krakowie, gdzie wiązkę protonów z akceleratora skolimowano na tarczach węgla 13C. O wynikach swoich prac badacze poinformowali w artykule opublikowanym w czasopiśmie Physics Letters B.

Nasz najnowszy rezultat dotyczy szczególnego rodzaju wzbudzeń jąder atomowych węgla 13C. Wzbudzenia te, fachowo nazywane rozciągniętymi stanami rezonansowymi, z wielu względów przyciągają zainteresowanie fizyków, zwłaszcza astrofizyków. Konsekwencją obecnego, udanego eksperymentu będzie seria dalszych pomiarów ukierunkowanych na pogłębienie wiedzy o własnościach jąder atomowych innych lekkich izotopów – zapowiada prof. dr hab. Bogdan Fornal, który razem z prof. Silvią Leoni z Università degli Studi di Milano i INFN Sezione di Milano we Włoszech zaproponował tę tematykę badań.

Zachowania jąder atomowych wzbudzonych do wysokich energii są wyjątkowo trudne do obserwacji, ponieważ cząstki tworzące jądra wchodzą w skomplikowane oddziaływania angażujące aż trzy z czterech rodzajów sił występujących w przyrodzie: silne, słabe i elektromagnetyczne. W tym kontekście do głównych zalet „rozciągniętych” stanów energetycznych w lekkich jądrach atomowych należy względna prostota ich opisu teoretycznego, umożliwiająca budowanie modeli dobrze opisujących wyniki pomiarowe. Znakomita zgodność teorii z doświadczeniem stanowi dowód, że wiedzę zdobytą dzięki obserwacjom rozciągniętych stanów jądrowych należy uznać za wiarygodną.

Jądro znajdujące się w stanie energetycznym nazywanym rozciągniętym można sobie wyobrażać jako układ, w którym pod wpływem zderzenia z protonem z zewnątrz tylko jeden proton lub jeden neutron jądra pokonuje szczelinę energetyczną i przenosi się do stanu energetycznego leżącego w tak zwanym kontinuum energetycznym – wyjaśnia dr Natalia Cieplicka-Oryńczak z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN. – W kontinuum różne stany energetyczne jądra mogą na siebie nachodzić, co radykalnie utrudnia opis zachodzących zjawisk i ich zrozumienie, a w konsekwencji także interpretowanie danych z eksperymentów. Stany rozciągnięte są więc tak istotne, ponieważ na energetycznej drabince powłok energetycznych w jądrze atomowym to jedne z najwyższych miejsc, gdzie jeszcze można prowadzić względnie proste i jednocześnie precyzyjne obserwacje – precyzuje.

W opisywanym doświadczeniu do rozpędzania protonów wykorzystano krakowski cyklotron Proteus C-235. Wyprowadzoną z niego wiązkę koncentrowano na tarczach węglowych przygotowanych w National Institute for Physics and Nuclear Engineering w Bukareszcie. Protony emitowane w trakcie zderzeń wiązki z tarczą rejestrowano za pomocą układu pomiarowego KRATTA, składającego się z sześciu matryc detektorów teleskopowych. Detektory rozmieszczono koncentrycznie wokół osi wiązki protonowej, tak by rejestrowały przede wszystkim protony rozproszone pod kątem 36 stopni do wiązki. Z analiz teoretycznych wynikało bowiem, że właśnie w okolicach takiego kąta powinno być widoczne maksimum rozproszonych protonów związanych ze wzbudzaniem rozciągniętych stanów węgla 13C. Ponadto za pomocą układu 22 innych detektorów promieniowania gamma, wchodzących m.in. w skład nowoczesnego systemu detekcyjnego PARIS oraz detektora cząstek DSSSD, rejestrowano kwanty gamma i lekkie cząstki naładowane (protony, cząstki alfa) emitowane podczas rozpadów badanego rezonansu oraz powstałych jąder pochodnych.

Dzięki pomiarom w krakowskim akceleratorze, sfinansowanym ze środków Narodowego Centrum Nauki, udało się w bezpośredni sposób ustalić, że jądro węgla 13C z badanego stanu rozciągniętego rozpada się na dwa podstawowe sposoby, nazywane kanałami. W kanale występującym najczęściej jądro emituje proton i przekształca się w bor 12B, który następnie emituje kwant gamma. W drugim kanale powstaje węgiel 12C, czemu towarzyszy emisja neutronu (którego w doświadczeniu jednak nie rejestrowano) oraz kwantu gamma.

Z uwagi na znaczenie badań dla rozumienia różnorodnych procesów jądrowych, seria eksperymentów w Centrum Cyklotronowym Bronowice IFJ PAN będzie kontynuowana. Obiektami zainteresowania fizyków staną się teraz jądra atomowe azotu 14N i węgla 12C. W niedalekiej przyszłości podjęta zostanie także próba znalezienia rozciągniętych stanów jądrowych w borze 11B, których istnienie nie było dotychczas jednoznacznie udokumentowane.

źródło: IFJ PAN

 

Dyskusja (0 komentarzy)