Нові дослідження проливають світло на загадкову потужну ядерну силу

Потужна ядерна сила є однією з чотирьох фундаментальних сил природи й відповідає за утримання протонів і нейтронів разом у ядрі атома. Це дуже короткотривала сила, яка набагато сильніша за інші фундаментальні сили, такі як електромагнітна сила. Всесвітом керують чотири фундаментальні сили, які визначають взаємодію між частинками та формують світ, який ми знаємо. Ці сили включають електромагнітну силу, гравітацію, слабку ядерну силу та сильну ядерну силу. Ці фундаментальні сили діють на все, від найдрібніших атомів до найбільших галактик у Всесвіті.

Недавнє дослідження Аргонської національної лабораторії та Університету Північної Кароліни в Чапел-Хілл наблизило дослідників до розуміння сильної ядерної сили, однієї з найбільш загадкових фундаментальних сил. 

Їхня робота ґрунтується на основоположних теоріях будови атомів, які виникли на початку 1960-х років у фізика з Аргони та лауреата Нобелівської премії Марії Гепперт Майєр. Вона допомогла розробити математичну модель будови ядер. Її модель пояснила, чому певна кількість протонів і нейтронів у ядрі атома робить його надзвичайно стабільним — явище, яке деякий час бентежило вчених.

Дослідницька група раніше проводила подібні експерименти для вивчення сильної ядерної сили, досліджуючи, як може змінюватися структура ядра, коли воно утворюється в збудженому стані в результаті ядерної реакції. Ці та інші експерименти, проведені в інших місцях, привели їх до дослідження нікелю-64, який містить 64 нейтрони та протони. Це ядро ​​є найважчим стабільним ядром нікелю з 28 протонами та 36 нейтронами. Цей ізотоп нікелю має властивості, які дозволяють змінювати його структуру, коли він збуджується до вищих енергетичних станів.

Для свого експерименту команда використовувала Argonne Tandem Linac Accelerator System, установку для користувачів Управління науки DOE, щоб прискорити зразок ядер Ni-64 до мішені зі свинцю. Атоми свинцю змогли збуджувати ядра Ni-64 через електромагнітні сили, що є результатом відштовхування між протонами свинцю та протонами нікелю.

Процес схожий на те, як поставити пакетик попкорну в мікрохвильовку. Коли ядра нагріваються, вони починають набувати різних форм і розмірів. Попкорн, який виходить із мікрохвильової печі, відрізняється від того, що ввійшов, і, що важливо, ядра змінили свою форму через вплив на них енергії.

Після збудження ядер Ni-64 прилад під назвою GRETINA виявив гамма-промені, що вивільнилися, коли ядра розпалися назад до основного стану. Інший детектор під назвою CHICO2 визначив напрямок частинок, які беруть участь у взаємодії. Дані, отримані детекторами, дозволили команді визначити, яку форму — чи форми — приймав Ni-64 під час збудження.

З аналізу даних було зроблено висновок, що ядра Ni-64, збуджені взаємодією зі свинцем, також змінили свою форму. Але замість того, щоб набувати звичних пухнастих форм, сферичне атомне ядро ​​нікелю змінювалося на одну з двох форм залежно від кількості енергії, що на нього прикладається: сплюснуте, як дверна ручка, або витягнуте, як футбольний м’яч. Це відкриття є незвичним для важких ядер, таких як Ni-64, які складаються з багатьох протонів і нейтронів.

«Модель — це зображення реальності, і це дійсна модель лише тоді, коли вона може пояснити те, що було відомо раніше, і вона має певну передбачувану силу», — сказав Роберт Янсенс, професор UNC-Chapel Hill і співавтор статті. «Ми вивчаємо природу та поведінку ядер, щоб постійно вдосконалювати наші поточні моделі потужної ядерної сили».

Зрештою, дослідники сподіваються, що їхні відкриття в Ni-64 та навколишніх ядрах можуть закласти основу для майбутніх практичних відкриттів у галузі ядерної науки, такій як ядерна енергетика, астрофізика та медицина. «Понад 50% медичних процедур у лікарнях сьогодні включають ядерні ізотопи», — сказав Янсенс. «І більшість цих ізотопів було виявлено під час проведення фундаментальних досліджень, як ми проводимо».