Badania

„Grudki” w jądrach atomowych

Opublikowano: 20.06.2018

forum akademickie

Jak naprawdę wyglądają jądra atomowe? Czy znajdujące się w nich protony i neutrony są rozmieszczone chaotycznie? A może łączą się w klastry alfa, czyli grudki zbudowane z dwóch protonów i dwóch neutronów? W przypadku kilku lekkich jąder doświadczalne potwierdzenie indywidualizmu bądź rodzinnej natury nukleonów będzie teraz łatwiejsze dzięki przewidywaniom przedstawionym przez fizyków z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN z Krakowa i Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jana Kochanowskiego w Kielcach.

Uczymy się, że jądro atomowe to zlepek przypadkowo rozmieszczonych protonów i neutronów (czyli nukleonów). Fizycy nie mają jednak tak jednoznacznych wyobrażeń. Już w 1931 roku – 20 lat po odkryciu jądra atomowego – pojawiły się pierwsze sugestie, że protony i neutrony w jądrach atomowych łączą się w jądra helu, a więc w grupki dwóch protonów i dwóch neutronów, często nazywane klastrami alfa. Jądra atomowe są jednak obiektami tak skrajnie małymi i trudnymi do zbadania, że wciąż nie udało się jednoznacznie potwierdzić występowania w nich klastrów alfa.

Łączenie się obiektów w grupy sprzyja obniżaniu energii w układach fizycznych. Ten potężny, uniwersalny mechanizm występuje w przyrodzie w różnych skalach wielkości: kwarki łączą się w mezony lub bariony, atomy w cząsteczki, gwiazdy w galaktyki, a galaktyki w grupy galaktyk. W przypadku jąder atomowych symulacje komputerowe sugerują, że np. w jądrze berylu 9Be znajdują się dwa klastry alfa i jeden neutron. W jądrze węgla 12C powinny znajdować się trzy klastry alfa, cztery w tlenie 16O, dziesięć w wapniu 40Ca i czternaście w niklu 56Ni.

W 2014 roku naukowcy z IFJ PAN, we współpracy z fizykami z Universidad de Grenada, przedstawili sposób wykrycia śladów pierwotnej struktury jąder atomowych w rozkładzie prędkości cząstek rozbiegających się z punktu zderzenia ultrarelatywistycznych lekkich jąder atomowych z tarczą zbudowaną z jąder ciężkich, takich jak ołów 208Pb czy złoto 197Au. Ówczesne przewidywania koncentrowały się wokół sposobów detekcji klastrów alfa w jądrach węgla 12C.

– W naszej najnowszej publikacji, napisanej wraz z fizykami z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jana Kochanowskiego w Kielcach, przedstawiamy bardziej szczegółowe przewidywania dotyczące możliwości zaobserwowania śladów klastrów alfa w jądrach atomowych. Pokazujemy przy tym, jak klastry te można byłoby wykryć w kolejnych jądrach, nie tylko węgla 12C, ale także berylu 7Be i 9Be oraz tlenu 16O – mówi prof. dr hab. Wojciech Broniowski z IFJ PAN i UJK.

Metoda wykrycia klastrów alfa w jądrach atomowych, opisana w publikacji wyróżnionej przez redaktorów czasopisma „Physical Review C”, opiera się na ciekawej zależności. Ciężkie jądra atomowe, nawet gdyby składały się z klastrów alfa, są tak duże, że z dobrym przybliżeniem można je traktować jako dość jednorodne kule. Gdy w takie jądro z prędkością ultrarelatywistyczną, a więc bardzo bliską prędkości światła, uderza lekkie jądro atomowe, energia zderzenia jest tak wielka, że protony i neutrony na ułamki sekund rozpadają się na kwarki i zlepiające je gluony. Powstaje wówczas prawdopodobnie najbardziej egzotyczny płyn: plazma kwarkowo-gluonowa.

– W naszej pracy zauważamy, że jeśli lekkie jądro atomowe nie jest jednorodne, obłok plazmy kwarkowo-gluonowej utworzony w wyniku zderzenia jest zdeformowany. Jego kształt przynajmniej w pewnym stopniu będzie odpowiadał kształtowi lekkiego jądra. Plazma będzie się więc rozlewała na wszystkie strony, ale w różnych kierunkach z nieco innymi prędkościami – wyjaśnia dr hab. Maciej Rybczyński, prof. UJK.

Plazma kwarkowo-gluonowa stygnie tak szybko, że bezpośrednie jej zaobserwowanie nie jest obecnie możliwe. Już po kilku femtosekundach – milionowych części jednej miliardowej sekundy – kwarki i gluony łączą się ponownie w cząstki w procesie nazywanym hadronizacją.

– W kierunkach, w których plazma kwarkowo-gluonowa płynęła nieco szybciej, możemy się spodziewać nieco większych prędkości cząstek powstałych przy hadronizacji. Jeśli więc z dostateczną precyzją zarejestrujemy pędy cząstek rozbiegających się z punktu zderzenia, potencjalnie jesteśmy w stanie z drobnych różnic wydobyć informację o kształcie jądra, które uderzyło w tarczę. Na dodatek informacja ta będzie dotyczyła jądra w stanie podstawowym – tłumaczy Milena Piotrowska, doktorantka UJK.

Badania fizyków z IFJ PAN i UJK, współfinansowane z grantów Narodowego Centrum Nauki, dostarczają konkretnych przewidywań teoretycznych. Kolejny krok należy teraz do fizyków doświadczalnych pracujących przy akceleratorach o dużych energiach, takich jak Super Proton Synchrotron (SPS) czy Large Hadron Collider (LHC) w europejskiej organizacji CERN bądź Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC) w amerykańskim Brookhaven National Laboratory. Ponieważ eksperymenty potwierdzające grudkowatą strukturę jąder atomowych nie wymagają rozbudowy obecnie działającej aparatury, będzie można je przeprowadzić już w najbliższych latach.

JK

(Źródło: IFJ PAN)


PARTNERZY

forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie