Összetört atommagok: felfedik titokzatos alakjukat

Összetört atommagok: felfedik titokzatos alakjukat

A fizikusok új módszert fedeztek fel az atommagok alakjának tanulmányozására – nagy energiájú ütközések során megsemmisítve azokat. Ez a módszer segíthet a tudósoknak jobban megérteni az atommagok alakját, ami befolyásolja például az elemek képződésének sebességét a csillagokban, és segít meghatározni, hogy mely anyagok a legalkalmasabbak nukleáris üzemanyagként.

„Az atommagok alakja az atommag és a nukleáris folyamatok szinte minden aspektusát befolyásolja” – mondja Jie Meng, a pekingi Pekingi Egyetem magfizikusa. A Nature folyóiratban november 6-án megjelent új képalkotó módszer "fontos és izgalmas előrelépést jelent" - mondta Meng.

A New York állambeli Uptonban található Brookhaven National Laboratory Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) csapata két urán-238-sugarat – majd később két aranysugarat – ütközött össze extrém energiák mellett. "Olyan hevesen ütköztek össze, hogy lényegében levessé olvasztottuk az atommagokat" - mondja Jiangyong Jia társszerző, a New York-i Stony Brook Egyetem fizikusa.

Az ütközések következtében létrejövő forró plazma nyomás hatására nagyon gyorsan tágul, és ez összefüggött az atommagok kezdeti alakjával. Az RHIC-nél vagy a STAR-nál található Solenoidal Tracker nevű detektor segítségével, amely mindkét típusú ütközés során több ezer részecske lendületét észlelte, és az eredményeket modellekkel egyeztette, a csapat „visszaforgatta az órát, hogy következtessen az atommagok alakjára” – magyarázza Jia.

Rejtett figurák

Az atommag protonokból és neutronokból áll, amelyek az elektronokhoz hasonlóan energiaszinteket foglalnak el. Általában a részecskék olyan alakot vesznek fel, amely minimálisra csökkenti a rendszer energiáját. Hasonlóan egy csepp vízhez, a mag különféle formákat ölthet, beleértve a körte, az amerikai futball vagy a mogyoróhéj alakját. A mag alakját „elméletileg nagyon nehéz megjósolni” – mondja Jia. Ő is tud idővel a kvantumfluktuációk miatt változnak.

Az alak feltárására irányuló korábbi kísérletek során az alacsony energiájú ionokat eltérítették az atommagoktól. Ez a módszer - az úgynevezett Coulomb-gerjesztés - gerjeszti az atommagokat, és az általuk kibocsátott sugárzás, amikor visszaesik alapállapotukba, feltárja alakjuk bizonyos aspektusait. Mivel az időskála viszonylag hosszú, ez a fajta képalkotás csak olyan hosszú távú képet tud megjeleníteni, amely az összes formaingadozás átlagát mutatja.

Ezzel szemben a nagyenergiájú ütközési módszer azonnali képet ad az atommagokról az ütközés során. Ez egy közvetlenebb módszer, így alkalmasabb az egzotikus formák tanulmányozására – mondja Jia.

A technika megerősítette, hogy az aranynak csaknem gömb alakú volt, amely képről a másikra következetes volt. Ezzel szemben az urán alakja megváltozott a pillanatfelvételeken, amikor az atommagok különböző orientációban ütköztek. Ez lehetővé tette a kutatóknak, hogy kiszámolják az uránmag relatív hosszát három dimenzióban, ami arra utal, hogy az urán nem csak megnyújtott, hanem egy dimenzióban kissé össze is van nyomva, hasonlóan egy leeresztett amerikai futballhoz.

"Lenyűgöző, hogy működött", és hogy más nukleáris folyamatok nem befolyásolták a részecskék kibocsátását, és nem takarták el a deformációt - mondja Magdalena Zielińska, a Párizs melletti francia Alternatív Energiák és Atomenergia Ügynökség atomfizikusa.

Kemény vagy puha?

Ez a fajta képalkotás segíthet megbirkózni azzal a kihívásokkal teli feladattal, hogy különbséget kell tenni a „merev”, azaz jól meghatározott formájú magok és a „lágyak” között, amelyek ingadoznak, mondja Zielińska.

Jia szerint csapata a könnyűionok, például az oxigén és a neon közötti különbségek tanulmányozására is szeretné használni a módszert. Az oxigénmagok közel gömb alakúak, míg a neonmagok - amelyek további két protont és két neutront hordoznak - kihajlónak tekinthetők. Alakjuk összehasonlítása lehetővé tenné a kutatók számára, hogy megértsék, hogyan képeznek klasztereket a protonok és neutronok az atommagokban, mondta Jia.

Az alakra vonatkozó információk azt is felfedhetik, hogy az atommagok valószínűleg kölcsönhatásba lépnek-e egymással vagy maghasadási reakción mennek-e keresztül, és növelhetik az ún. neutrínó nélküli kettős β-bomlás hogy felfedezzük, mi segíthet megoldani a fizika néhány régóta fennálló rejtélyét. Jia szerint a látható anyag körülbelül 99,9%-a az atomok középpontjában található. „A nukleáris építőelem megértése tulajdonképpen annak megértése középpontjában áll, hogy kik vagyunk.”

1. STAR Collaboration Nature https://doi.org/10.1038/s41586-024-08097-2 (2024).

   Cikk
   
   Google Tudós

Idézetek letöltése