Po odbiciu od rakiety piłka tenisowa zniekształca się. Przez chwilę ściska się i rozciąga wzdłuż kierunku ruchu. Ślady podobnych drgań zachodzących w jądrach ołowiu 208Pb wytropili niedawno naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie. Jedyna wcześniejsza obserwacja podobnego zjawiska miała miejsce ponad 30 lat temu.
Unikatowy eksperyment, opisany na łamach czasopisma „Physical Review C”, przeprowadzono w Centrum Cyklotronowym Bronowice (należącym do instytutu). Jądra atomów ołowiu 208Pb wzbudzono zderzeniami z protonami. Fizycy wykonali serię wyrafinowanych pomiarów kwantów gamma, a zebrane dane potwierdziły, że w jądrach zachodzą „tenisowe” drgania.
Możliwość obserwowania w naszym ośrodku subtelnych oscylacji jąder ołowiu 208Pb wynika ze specyficznych cech tutejszego akceleratora Proteus C-235. Głównym zadaniem urządzenia jest bowiem napromieniowanie nowotworów, w tym nowotworów oka. Jedną z czterech linii akceleratora zaprojektowano jednak z myślą o badaniach fizycznych. Unikalność akceleratora wynika z zakresu energii dostarczanych przez niego protonów. Na świecie niemal wszystkie akceleratory dostępne dla fizyków nadają protonom energie albo wyraźnie mniejsze, albo wyraźnie większe niż nasz – wyjaśnia prof. dr hab. Adam Maj z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN.
W cyklotronie Proteus protony mogą osiągać energie od 70 do 230 megaelektronowoltów (dla porównania: energia protonów w akceleratorze LHC bywa nawet setki tysięcy razy większa). Wzbudzone zderzeniem z protonem jądro ołowiu może się rozpaść na cząstki wtórne lub przejść do niższego stanu energetycznego, co jest połączone z emisją kwantu promieniowania gamma. Oba przypadki zasadniczo się różnią: energie cząstek wtórnych mogą być praktycznie dowolne, podczas gdy energie kwantów gamma muszą odpowiadać różnicom między konkretnymi stanami energetycznymi jądra. Wszystko to oznacza, że właśnie kwanty gamma niosą najcenniejszą informację o budowie jądra atomowego.
Nasz międzynarodowy zespół specjalizuje się w obserwacjach rozpadów z emisją kwantów gamma szczególnych wzbudzeń jądra, znanych jako gigantyczne rezonanse. Dotychczas badaliśmy rozpady takich rezonansów w jądrach „gorących”, czyli wzbudzonych do wysokich energii. Jednak obecnie, dzięki odpowiedniemu doborowi warunków eksperymentu i układu pomiarowego, układowi detektorów gamma o wysokich energiach HECTOR z Uniwersytetu Mediolańskiego oraz zbudowanemu w Krakowie matrycowemu detektorowi rozproszonych protonów KRATTA, zdołaliśmy zobaczyć rozpady gamma rezonansów w jądrach „zimnych”, czyli wzbudzone na stanach podstawowych. Co jednak szczególnie istotne, udało się nam też zauważyć oscylacje jądra jako całości, będące efektem gigantycznego rezonansu kwadrupolowego – opowiada dr hab. Maria Kmiecik z IFJ PAN.
Gdy pojedynczy proton o odpowiednio dobranej energii zderzy się z kulistym jądrem ołowiu 208Pb, może je pobudzić do różnych oscylacji, zwłaszcza tych powiązanych z gigantycznymi rezonansami. Fizycy używają przymiotnika „gigantyczny”, aby podkreślić, że rezonanse tego typu pojawiają się znacznie częściej od innych.
Gigantyczne rezonanse występują w dwóch podstawowych odmianach: gigantyczny rezonans dipolowy (GDR) – protony i neutrony w jądrze oscylują względem siebie, jako całość powierzchnia jądra nie zmienia wtedy kształtu, jedynie wpada w wibracje; gigantyczny rezonans kwadrupolowy (GQR) – przejawia się pod postacią deformacji całej powierzchni jądra, które zaczyna naprzemiennie się spłaszczać i wydłużać wzdłuż pewnego kierunku; zjawisko przypomina zniekształcenia piłeczki tenisowej tuż po odbiciu od rakiety, przez chwilę ściskającej się i rozciągającej wzdłuż kierunku ruchu.
Detekcja kwantów gamma emitowanych przez wzbudzone jądra ołowiu 208Pb nie należy do zadań prostych. W przypadku dużo łatwiejszego do wzbudzenia gigantycznego rezonansu dipolowego, rozpad z emisją gamma zdarza się mniej więcej sto razy rzadziej niż standardowo obserwowane rozpady przez cząstki. W przypadku rezonansu kwadrupolowego prawdopodobieństwo emisji kwantu gamma spada kolejne sto razy. Przy czym obserwacje utrudnia fakt, że zjawisko to występuje na tle swojego prostszego kuzyna – tłumaczy dr Barbara Wasilewska z IFJ PAN.
Rezultaty otrzymane przez fizyków w Krakowie znakomicie współgrają z wynikami eksperymentu sprzed 30 lat. Jednocześnie niosą nową, jakościowo istotną informację. Naukowcy, którzy dawniej zarejestrowali wzbudzenie i rozpad gamma gigantycznego rezonansu kwadrupolowego, przeprowadzali swoje pomiary bombardując ołowiane tarcze za pomocą ciężkich jonów. Tymczasem obecny wynik jednoznacznie wskazuje, że do wprawienia w drgania powierzchni ciężkich jąder atomowych można używać nawet znacznie lżejszych protonów.
Krakowskie pomiary to wstęp do serii bardziej wyrafinowanych eksperymentów dotyczących podobnych zjawisk w innych jądrach atomowych. Zespół pracujący w Centrum Cyklotronowym Bronowice rozpoczął już kolejne działania, z jeszcze bardziej ulepszoną aparaturą. Układ do pomiaru kwantów gamma zastąpiono układem detektorów nowej generacji PARIS. Szczególne zainteresowanie naukowców budzą rezonanse znane jako pigmejskie oraz oscylacje jąder atomowych o kształtach niesferycznych, które wciąż umykają przewidywaniom teoretyków.
źródło: PAN