1165
Атоми Всесвіту мають у центрі ядро – щільний згусток протонів і нейтронів, який визначає хімічний елемент і містить майже всю його масу. У підручниках його часто малюють як майже ідеальну кулю, але це не завжди відповідає реальності. Новий аналіз даних з Великого адронного колайдера CERN, описаний у матеріалі ScienceAlert, вказує, що ядро атома неону має форму, схожу на кеглю для боулінгу.
Це не просто курйоз. Розуміння реальної форми ядер важливе для ядерної фізики та для пояснення дивної колективної поведінки матерії, яка виникає під час зіткнень ядер на надвисоких енергіях.
Чому ядра не завжди сферичні
Не всі атомні ядра однакові за формою. Деякі помітно відхиляються від кулі: наприклад, у радію-224 ядро має асиметричну, грушоподібну форму. Такі деформації впливають на те, як ядра поводяться в екстремальних умовах, тож їхня геометрія цікавить фізиків.
Побачити форму ядра безпосередньо дуже складно не лише через його мікроскопічні розміри. У звичайних вимірюваннях ядро не «завмирає» в одній орієнтації: його квантовий стан усереднює всі можливі положення в просторі. У результаті навіть несферичне ядро з нульовим кутовим моментом у лабораторії виглядає наче сферичне.
Як колайдер «зчитує» форму ядра
Тут у пригоді стає прискорювач частинок. Коли атомні ядра зіштовхуються на великих енергіях, їхня внутрішня структура впливає на те, як тече й розширюється матерія, що народжується в зіткненні.
Автори порівнюють це з прихованими у потоці води об’єктами різної форми: за тим, як вода тече далі вниз за течією, можна відновити обриси невидимого тіла. У випадку з ядрами зіткнення не просто спотворює вже наявний потік, а створює його з нуля, і форма вихідних ядер відбивається в напрямках вильоту частинок.
У своєму аналізі колаборація CMS вивчала два типи зіткнень: ядро-ядро для кисню-16 та неону-20. Це були окремі серії запусків колайдера з киснево-кисневими та неоново-неоновими зіткненнями, а не прямі удари кисню по неону.
Кисень-16 і неон-20 зручні для порівняння: їхні ядра мають близькі маси, але, за розрахунками, дуже різну внутрішню геометрію. Для кисню-16 теорія та попередні роботи вказують на тетраедричну структуру ядра, тоді як для неону прогнозується витягнута форма, схожа на кеглю.
Еліптичний і трикутний потоки
Фізики аналізували, як саме вилітають частинки з кожного типу зіткнень, шукаючи закономірності в їхніх напрямках. Зокрема, їх цікавили так звані еліптичний та трикутний потоки – ситуації, коли частинки частіше з’являються в певних напрямках, утворюючи характерні анізотропні візерунки.
Якщо вихідні ядра мають різну форму, ці відмінності мають проявитися в силі та структурі обох типів потоків. Особливо чутливим до геометрії повинен бути еліптичний потік у найцентральніших, майже лобових зіткненнях.
Саме це дослідники й побачили: еліптичний потік для неону й кисню відрізнявся так, як очікується для ядер різної форми. Водночас є й застереження: виміряні зміни трикутного потоку кількісно не збіглися з прогнозами моделей, тож інтерпретація потребує подальшої перевірки.
Що це означає для ядерної фізики
Попри невідповідність у трикутному потоці, результат важливий тим, що демонструє: колективний потік у зіткненнях легких ядер дійсно чутливий до їхньої геометрії. Прямого «фото» крихітної ядерної кеглі ми не маємо, але спостереження узгоджуються з деформованою формою ядра неону.
Це означає, що навіть настільки тонке джерело, як просторове розташування протонів і нейтронів усередині ядра, залишає помітний слід у «спреї» частинок, який виривається назовні під час зіткнення.
Висновки вказують, що прискорювачі частинок можуть стати інструментом для нового типу «рентгену» ядер: фізики зможуть вивчати їхню форму, розбиваючи ядра одне об одне й «зчитуючи» геометрію за продуктами зіткнення.
У своїй роботі дослідники зазначають, що отримані дані демонструють чутливість колективного потоку в зіткненнях легких іонів як до початкової геометрії, так і до гідродинамічної відповіді середовища. Це накладає жорсткі обмеження на моделі колективної поведінки в малих системах і відкриває нові можливості для досліджень структури атомних ядер.
Великий адронний колайдер виявив ядро неону форми кеглі з’явилася спочатку на Цікавості.
