Τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις - η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, η βαρύτητα και οι αδύναμες και ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις - που κυβερνούν το σύμπαν περιγράφουν ταυτόχρονα την αλληλεπίδραση των σωματιδίων και τον τρόπο με τον οποίο αυτή η αλληλεπίδραση συνθέτει τον κόσμο.
Οι ερευνητές είναι ένα βήμα πιο κοντά στην κατανόηση της ισχυρής πυρηνικής δύναμης, μιας από τις πιο μυστηριώδεις δυνάμεις, χάρη σε μια πρόσφατη μελέτη από το Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας στο Chapel Hill και το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) Εθνικό Εργαστήριο Argonne.
Η έρευνά τους βασίζεται σε θεμελιώδεις θεωρίες της ατομικής δομής που αναπτύχθηκαν από τη βραβευμένη με Νόμπελ φυσικό Argonne, Maria Goeppert Mayer, στις αρχές της δεκαετίας του 1960. Συνέβαλε στη δημιουργία ενός μαθηματικού μοντέλου του πυρηνική δομή. Η θεωρία της ξεκαθάρισε ένα μακροχρόνιο μυστήριο μεταξύ των επιστημόνων: γιατί συγκεκριμένοι αριθμοί πρωτονίων και νετρονίων στον πυρήνα ενός ατόμου τον καθιστούν πολύ σταθερό.
Διερευνώντας πώς η δομή ενός πυρήνα μπορεί να αλλάξει όταν σχηματίζεται σε διεγερμένη κατάσταση μέσω μιας πυρηνικής αντίδρασης, η ερευνητική ομάδα έχει πραγματοποιήσει προηγουμένως συγκρίσιμα πειράματα για να εξετάσει την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Εξέτασαν τα 64 νετρόνια και το πρωτόνιο νικέλιο-64, που προέκυψαν από αυτές και άλλες μελέτες που πραγματοποιήθηκαν στο εξωτερικό. Αυτός ο πυρήνας ζυγίζει περισσότερο από οποιονδήποτε σταθερό πυρήνα νικελίου, με 28 πρωτόνια και 36 νετρόνια. Όταν διεγείρεται σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας, τα χαρακτηριστικά αυτού του ισοτόπου νικελίου του επιτρέπουν να αλλάξει τη δομή του.
Για το πείραμά της, η ομάδα χρησιμοποίησε το Argonne Tandem Linac Accelerator System, μια εγκατάσταση χρηστών του DOE Office of Science, για να επιταχύνει ένα δείγμα πυρήνων Ni-64 προς έναν μολύβδινο στόχο. Τα άτομα μολύβδου ήταν σε θέση να διεγείρουν τους πυρήνες Ni-64 μέσω των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων που προκύπτουν από την απώθηση μεταξύ του μολύβδου και του νικελίου πρωτόνια.
Μοιάζει με τη διαδικασία για τη θέρμανση μιας τσάντας ποπ κορν στο φούρνο μικροκυμάτων. Οι πυρήνες αρχίζουν να εκρήγνυνται σε διάφορα σχήματα και μεγέθη καθώς ζεσταίνονται. Το ποπ κορν που βγαίνει από το φούρνο μικροκυμάτων είναι διαφορετικό από αυτό που μπήκε και το πιο σημαντικό, η ενέργεια που εφαρμόζεται στους πυρήνες τους έκανε να αλλάξουν τη δομή τους.
Οι ακτίνες γάμμα που παράγονται όταν οι πυρήνες Ni-64 αποσυντέθηκαν πίσω στη βασική τους κατάσταση ανακαλύφθηκαν από το όργανο GRETINA μετά την διέγερση των πυρήνων Ni-64. Ο προσανατολισμός των σωματιδίων που εμπλέκονται στην επαφή διαπιστώθηκε από το CHICO2, έναν διαφορετικό ανιχνευτή. Η ομάδα μπορούσε να αναγνωρίσει το σχήμα (ή τα σχήματα) που έλαβε το Ni-64 ως συναρπαστικό, χάρη στα δεδομένα που συνέλεξαν οι ανιχνευτές.
Η ανάλυση δεδομένων αποκάλυψε ότι οι πυρήνες Ni-64 που διεγείρονται από αλληλεπιδράσεις με τον μόλυβδο υπέστησαν επίσης δομική αλλοίωση. Ωστόσο, ανάλογα με την ποσότητα της ενέργειας που εφαρμόζεται, ο σφαιρικός ατομικός πυρήνας του νικελίου είτε μετατράπηκε σε πλάγιο σχήμα, παρόμοιο με ένα πόμολο πόρτας, είτε σε σχήμα πλάτης, παρόμοιο με ένα ποδόσφαιρο. Αυτή η ανακάλυψη είναι εξαιρετική για βαρείς πυρήνες όπως το Ni-64, που έχουν πολλά πρωτόνια και νετρόνια.
Robert Janssens, καθηγητής στο UNC-Chapel Hill και συν-συγγραφέας της εργασίας, είπε, «Ένα μοντέλο είναι μια εικόνα της πραγματικότητας και είναι ένα έγκυρο μοντέλο μόνο εάν μπορεί να εξηγήσει αυτό που ήταν γνωστό πριν, και έχει κάποια προγνωστική δύναμη. Μελετάμε τη φύση και τη συμπεριφορά των πυρήνων για να βελτιώνουμε συνεχώς τα τρέχοντα μοντέλα μας για την ισχυρή πυρηνική δύναμη».
«Τα ευρήματα στο Ni-64 και στους γύρω πυρήνες μπορούν να θέσουν τα θεμέλια για μελλοντικές πρακτικές ανακαλύψεις στον τομέα της πυρηνικής επιστήμης, όπως η πυρηνική ενέργεια, η αστροφυσική και η ιατρική. Πάνω από το 50% των ιατρικών διαδικασιών στα νοσοκομεία σήμερα αφορούν πυρηνικά ισότοπα. Και τα περισσότερα από αυτά τα ισότοπα έχουν ανακαλυφθεί κατά τη διάρκεια της βασικής έρευνας όπως κάνουμε εμείς».
Αναφορά στο περιοδικό:
- D. Little, AD Ayangeakaa, et al. Διέγερση Coulomb πολλαπλών βημάτων του 64Ni: Συνύπαρξη σχήματος και φύση διεγέρσεων χαμηλής περιστροφής. Phys. Αναθ. CΕ DOI: 10.1103/PhysRevC.106.044313
