Протоны и нейтроны являются основными составляющими атомных ядер. Распределены ли они однородно или, возможно, квартетами, состоящими из двух протонов и двух нейтронов? Физики из Польши и Испании недавно представили идею, как можно исследовать этот вопрос в будущих экспериментах.
Одинокие или сторонники семейной жизни? Согласно учебникам, протоны и нейтроны в атомных ядрах размещены равномерно и движутся независимо друг от друга. Однако есть много фактов, указывающих на то, что нуклоны во многих ядрах объединяются в небольшие кластеры, например в ядра гелия (альфа-частицы), состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Однако прямые измерения этого эффекта весьма затруднительны, а результаты до сих пор неоднозначны. Как мы можем увидеть истинное лицо атомного ядра?
В статье, опубликованной в Physical Review Letters и рекомендованной редакцией, физики из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове и Университета Гранады (UG), Испания, описали новый метод, который в будущих экспериментах может показать, действительно ли нуклоны в ядрах кластеризуются или они «живут сами по себе».
Предположения о том, что нуклоны могут группироваться в кластеры в атомных ядрах, появились еще более 80 лет назад. В 1931 году известный физик Георгий Гамов выдвинул гипотезу о том, что атомные ядра образованы из альфа-частиц. Спустя многие десятилетия до сих пор нет однозначного экспериментального подтверждения этого факта. Однако из продвинутого компьютерного моделирования мы знаем, например, что ядро бериллия 9Ве состоит из двух альфа-кластеров и дополнительного нейтрона, поэтому оно имеет скорее форму гантели, чем шара. Эксперименты по так называемой фрагментации, проведенные на ускорителях, намекают на наличие кластеров в более тяжелых ядрах, например три в углероде 12C, четыре в кислороде 16O, десять в кальции 40Ca или четырнадцать в никеле 56Ni.
«Мы утверждаем, что если структура атомных ядер образована из альфа-кластеров, мы сможем увидеть ее следы в спектрах частиц, образующихся при ультрарелятивистских столкновениях правильно подобранных ядер», - говорит проф. Войцех Бронёвски (IFJ PAN), соавтор статьи.
В этих ультрарелятивистских столкновениях ядра атомов движутся со скоростями, очень близкими к скорости света. По этой причине их пространственная конфигурация «замораживается» в течение чрезвычайно короткого времени реакции. В результате столкновения образуется кварк-глюонная плазма, которая ведет себя как жидкость, разливающаяся во все стороны. Оказывается, однако, что скорость этого потока не одинакова во всех направлениях: в одних она больше, в других медленнее. Эти различия отражают первоначальную форму сталкивающихся ядер.
"Через несколько фемтосекунд мы подходим к интересному моменту", - замечает проф. Бронёвски. Текущая плазма остывает и застывает в адроны, которые затем наблюдаются в детекторах. Их скорости несколько выше в тех направлениях, где поток выше. Мы показали, что, измеряя очень точно скорости частиц, можно ловким способом восстановить информацию о начальной форме сталкивающихся ядер."
Авторы публикации смоделировали столкновения ядер углерода 12C со свинцом 208Pb. Выбор 12С не случаен: если это ядро состоит из трех альфа-кластеров, оно должно иметь треугольную форму. В такой ситуации скорости рожденных адронов должны явно зависеть от направления, двигаясь быстрее в направлении, перпендикулярном сторонам треугольника, и медленнее в направлениях, указанных его углами. С другой стороны, очень тяжелое ядро 208Pb было необходимо, чтобы гарантировать образование кварк-глюонной плазмы, необходимой для течения.
Наш метод следует применять и к более тяжелым ядрам, таким как кислород 16O, который, вероятно, имеет пирамидальную форму. Однако чем больше кластеров, тем более сферическими являются ядра, и различия в скоростях адронов будут труднее обнаружить», - говорит профессор Энрике Руис Арриола (UG).
Объединение объектов в группы - универсальный механизм понижения энергии физических систем, подверженных притяжению. Он распространен в природе на всех масштабах расстояний. Верхние и нижние кварки группируются в триплеты, образуя нуклоны, нуклоны соединяются в атомные ядра, атомы соединяются в молекулы, капли воды замерзают в снежинки. В космических масштабах звезды образуют галактики, а галактики образуют скопления. В нашей жизни мы, люди, можем собираться зимой в группы, чтобы чувствовать себя теплее.
"Мы до сих пор не знаем, образуют ли протоны и нейтроны альфа-кластеры в ядрах. Однако теперь мы знаем метод, как узнать это в определенных случаях. Следующий шаг со стороны экспериментаторов", - заключает он. Проф. Бронёвский.
Расследование софинансировалось Польским национальным научным центром.