Ядерный регби: чем атом свинца-208 озадачил исследователей

Ученые из Группы ядерной физики Университета Суррея совершили открытие , меняющее представления о строении материи на фундаментальном уровне. Исследуя свинец-208 (²⁰⁸Pb), они обнаружили, что ядро этого изотопа имеет необычную форму, противоречащую всем прежним теоретическим моделям.

В микромире свинец-208 занимает особое положение благодаря своей уникальной стабильности. В его ядре содержится 82 протона и 126 нейтронов - оба этих числа считаются в ядерной физике "магическими". Такое название они получили потому, что атомные ядра с этими количествами частиц демонстрируют необычайную устойчивость: они практически не подвержены радиоактивному распаду и с трудом вступают в ядерные реакции.

Физики называют ядро свинца-208 "дважды магическим", поскольку в нем сразу два параметра - и число протонов, и число нейтронов - соответствуют этим особым значениям. Подобно тому, как электроны в атомах выстраиваются в энергетические уровни, протоны и нейтроны в ядре также образуют определенные оболочки. Когда оболочка полностью заполнена (что происходит при "магических числах"), структура становится особенно прочной - как в случае с инертными газами, где заполненные электронные оболочки обеспечивают химическую стабильность.

Для изучения формы ядра использовали гамма-спектрометр GRETINA - одну из самых совершенных установок в современной ядерной физике. Этот прибор, установленный в Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе, способен улавливать мельчайшие изменения в энергетических состояниях атомных ядер с беспрецедентной точностью.

Методика эксперимента основывалась на бомбардировке атомов свинца пучками заряженных частиц. Элементы разгоняли до скорости, составляющей десятую часть скорости света - около 30 000 километров в секунду. При таком разгоне частица преодолела бы расстояние от экватора до полюса Земли за долю секунды.

При столкновении атомы переходят в возбужденное состояние, испуская гамма-кванты - высокоэнергетические фотоны, которые несут в себе информацию о внутренней структуре вещества. Спектрометр GRETINA фиксировал это излучение, создавая своеобразные энергетические "отпечатки пальцев" микромира.

Анализ данных четырех независимых измерений принес неожиданные результаты: центральная часть атома свинца-208 оказалась вытянутой, напоминающей по форме мяч для регби. Такое открытие противоречит классическим представлениям о том, что структуры с "магическими" числами протонов и нейтронов должны иметь идеально сферическую геометрию.

Обнаруженная деформация свидетельствует о существовании неизвестных ранее механизмов взаимодействия между субатомными частицами. По словам главного исследователя доктора Джека Хендерсона, наблюдаемая асимметрия может быть связана с квантовыми эффектами, проявляющимися при высоких энергиях возбуждения.

Профессор Пол Стивенсон, ведущий теоретик исследования, объясняет происходящее на квантовом уровне: в спокойном состоянии частицы внутри атомного ядра колеблются с определенной периодичностью, сохраняя общую структуру. Однако при мощном энергетическом воздействии этот ритм нарушается, что приводит к изменению формы всего ядра.

Проведенные замеры подтвердили: форма атомного ядра напрямую зависит от количества переданной ему энергии. Когда атом находится в своем обычном, невозбужденном состоянии, его ядро почти идеально круглое, с минимальными отклонениями от сферической формы. Но стоит передать атому дополнительную энергию, и начинается деформация - словно мыльный пузырь, структура ядра растягивается под действием внутренних сил, хотя и не теряет своей целостности.

Если даже стабильный свинец-208 демонстрирует неожиданные свойства, то характеристики более экзотических элементов могут оказаться еще необычнее. Открытие особенно важно для понимания процессов нуклеосинтеза - рождения тяжелых элементов в звездах и при столкновении нейтронных звезд.

Более того, результаты этого эксперимента открывают новые горизонты в квантовой механике и астрофизике. Глубокое понимание процессов деформации материи на субатомном уровне может способствовать развитию энергетики, а также созданию инновационных методов медицинской диагностики и терапии.