Cztery podstawowe siły – siła elektromagnetyczna, grawitacja oraz słabe i silne siły jądrowe – które rządzą wszechświatem, jednocześnie opisują interakcję cząstek i sposób, w jaki ta interakcja tworzy świat.
Naukowcy są o krok bliżej zrozumienia silnego oddziaływania jądrowego, jednej z najbardziej tajemniczych sił, dzięki niedawnym badaniom przeprowadzonym na Uniwersytecie Północnej Karoliny w Chapel Hill i Departamentowi Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) Argonne National Laboratory.
Ich badania opierają się na podstawowych teoriach budowy atomu opracowanych przez laureatkę Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki Argonne, Marię Goeppert Mayer, na początku lat sześćdziesiątych XX wieku. Przyczyniła się do stworzenia modelu matematycznego struktura jądrowa. Jej teoria wyjaśniła utrzymującą się od dawna zagadkę naukowców: dlaczego określona liczba protonów i neutronów w jądrze atomu sprawia, że jest ono bardzo stabilne.
Badając, jak może zmienić się struktura jądra, gdy powstaje ono w stanie wzbudzonym w wyniku reakcji jądrowej, zespół badawczy przeprowadził już wcześniej porównywalne eksperymenty w celu zbadania silnego oddziaływania jądrowego. Przyjrzeli się 64 neutronom i protonowi niklu-64, co wynika z tych i innych badań przeprowadzonych za granicą. Jądro to waży więcej niż jakiekolwiek stabilne jądro niklu i zawiera 28 protonów i 36 neutronów. Po pobudzeniu do wyższych poziomów energii właściwości tego izotopu niklu umożliwiają mu zmianę jego struktury.
W swoim eksperymencie zespół wykorzystał Argonne Tandem Linac Accelerator System, narzędzie użytkownika DOE Office of Science, do przyspieszenia próbki jąder Ni-64 w kierunku wiodącego celu. Atomy ołowiu były w stanie wzbudzić jądra Ni-64 poprzez siły elektromagnetyczne powstałe w wyniku odpychania pomiędzy ołowiem i niklem protony.
Przypomina to procedurę podgrzewania torebki popcornu w kuchence mikrofalowej. W miarę nagrzewania się jądra zaczynają eksplodować, przybierając różne kształty i rozmiary. Popcorn wychodzący z kuchenki mikrofalowej różni się od tego, który wszedł, a co ważniejsze, energia zastosowana do ziaren spowodowała zmianę ich struktury.
Promienie gamma powstające podczas rozpadu jąder Ni-64 z powrotem do stanu podstawowego zostały odkryte przez instrument GRETINA po stymulacji jąder Ni-64. Orientację cząstek biorących udział w kontakcie ustalono za pomocą innego detektora CHICO2. Dzięki danym zebranym przez detektory zespół był w stanie zidentyfikować kształt (lub kształty), jaki Ni-64 przyjął jako ekscytujący.
Analiza danych wykazała, że jądra Ni-64 stymulowane interakcjami z ołowiem również uległy zmianom strukturalnym. Jednakże, w zależności od ilości przyłożonej energii, sferyczne jądro atomowe niklu albo przybrało kształt spłaszczony, podobny do klamki, albo wydłużony, podobny do piłki nożnej. To odkrycie jest wyjątkowe w przypadku ciężkich jąder, takich jak Ni-64, które mają dużo protonów i neutrony.
Robert Janssens, profesor na UNC-Chapel Hill i współautor artykułu, powiedziany, „Model jest obrazem rzeczywistości i jest to model prawidłowy tylko wtedy, gdy potrafi wyjaśnić to, co było wiadome wcześniej i ma pewną moc predykcyjną. Badamy naturę i zachowanie jąder, aby w sposób ciągły ulepszać nasze obecne modele silnego oddziaływania jądrowego.
„Odkrycia dotyczące Ni-64 i otaczających ją jąder mogą położyć podwaliny pod przyszłe praktyczne odkrycia w dziedzinie nauk nuklearnych, takich jak energia jądrowa, astrofizyka i medycyna. Obecnie ponad 50% procedur medycznych w szpitalach wykorzystuje izotopy jądrowe. Większość tych izotopów odkryto podczas prowadzenia badań podstawowych, takich jak my”.
Referencje czasopisma:
- D. Little, AD Ayangeakaa i in. Wielostopniowe wzbudzenie kulombowskie 64Ni: współistnienie kształtów i natura wzbudzeń niskospinowych. fizyka Wielebny C, DOI: 10.1103/PhysRevC.106.044313
