Неон-20 и хром-48: Новое исследование о форме и инерции атомных ядер

Атомные ядра могут иметь различные формы, варьирующиеся от вытянутых (пролатных) до сплющенных (облатных). Эти формы имеют разные моменты инерции, что влияет на сопротивление ядра изменению скорости его вращения под внешним воздействием. Различие форм и моментов инерции означает, что для вращения различных ядер требуется разное количество энергии.

Предыдущие исследования показали, что для быстрого вращения ядер, например, таких как неон-20 или хром-48, энергия, необходимая для вращения, изменяется неожиданным образом. Ученые связывали это с аномальным увеличением момента инерции при высоких скоростях вращения, что, по их мнению, могло быть вызвано выпячиванием ядерного вещества. Ранее считалось, что быстро вращающиеся ядра становятся сферическими, однако новые модели обнаружили деформированные формы. Масштабные симуляции атомных ядер предоставили новые объяснения поведения быстро вращающихся ядер.

Впервые за почти 50 лет ученые точно рассчитали момент инерции и исследовали его предполагаемое аномальное увеличение с помощью передовых симуляций. Симуляции для неона-20 воспроизвели измерения энергии, однако аномального увеличения момента инерции не выявили. Вместо этого был обнаружен другой процесс в структуре ядра.

Похожие микроскопические симуляции для хрома-48 подтвердили этот неожиданный результат. Более того, результаты разрешили давний вопрос о том, становится ли быстро вращающееся ядро сферическим или принимает форму сплющенного. Исследование, опубликованное в журнале Physical Review C, показало, что при быстрой ротации ядро может принимать несколько конкурирующих форм — как вытянутых, так и сплющенных, что в среднем выглядит как сфера.

Студент программы Исследовательского опыта для студентов (Research Experiences for Undergraduates) в Университете штата Луизиана (LSU) совместно с учеными из LSU, Университета штата Сан-Диего и Чешской академии наук тщательно изучили форму неона-20 с использованием недавно разработанной теории модели ядра, адаптированной к симметрии.

Эта теория естественным образом описывает деформацию и кластерные подструктуры атомных ядер. Достижения в симуляциях позволили получить решения, которые ранее считались невозможными, благодаря строительным блокам, уважающим почти идеальную симметрию в ядрах. Эти передовые ядерные симуляции выявили сложную квантовую суперпозицию форм, опровергая 50-летнее предположение, что увеличение скорости вращения приводит к увеличению момента инерции ядра.

Для легких ядер, таких как неон-20 (с 10 протонами и 10 нейтронами), считалось каноническим примером гипотетического увеличения момента инерции. В новых расчетах, адаптированных к симметрии, момент инерции и форма ядра меняются незначительно. Вместо этого, смешение с близким ядерным состоянием, которое выравнивает спины частиц и комбинирует формы, изменяет энергию.

Аналогичные расчеты для хрома-48 подтвердили, что быстро вращающееся ядро выглядит почти сферическим, что согласуется с некоторыми моделями. Эта модель объясняет сферичность как результат почти равного смешения вытянутых и сплющенных форм. Это открытие предоставляет новый взгляд на физику быстро вращающихся ядер.