Polscy fizycy, pracujący w międzynarodowym zespole, uczestniczyli w eksperymencie, który pozwolił - po po raz pierwszy z tak dużą dokładnością – zaobserwować drgania powierzchni ciężkiego jądra atomowego, ołowiu 208Pb. Pomiary wyjaśniają, jak wyglądają wspólne oscylacje neutronów w jądrach atomowych i ile neutronów na powierzchni jądra uczestniczy w wibracjach znanych jako rezonanse pigmejskie. Badania prowadzono we Włoszech z pomocą spektrometru AGATA (Advanced Gamma Tracking Array).
Gdy rozpędzony jon z dużą energią uderza w jądro atomowe ciężkiego pierwiastka, wprawia je w specyficzne drgania: wszystkie neutrony zaczynają wspólnie oscylować względem wszystkich protonów. Ale w pobliżu miejsca, w które trafił jon, cząstki na powierzchni jądra atomowego mogą wykonywać jeszcze dodatkowe wibracje, znane jako rezonanse pigmejskie.
Do tej pory nie było wiadomo, ile cząstek na powierzchni jądra uczestniczy w rezonansach pigmejskich - a więc ile szczególnie silnie odczuwa efekty zderzenia. Odpowiedź udało się znaleźć dopiero dzięki wyjątkowo precyzyjnym pomiarom, przeprowadzonym we włoskim ośrodku jądrowym w Legnaro w ramach międzynarodowego eksperymentu z użyciem spektrometru gamma najnowszej generacji AGATA.
"Rezonanse jądra atomowego można obrazowo porównać do tego, co się dzieje podczas typowych trzęsień ziemi. Wszystkie budynki drgają wtedy mniej więcej zgodnym rytmem, podobnie jak neutrony w zjawisku gigantycznego rezonansu. Ale w pobliżu epicentrum trzęsienie może dodatkowo wzbudzić także dzwony w wieżach kościelnych. Wibracje samych dzwonów, i to tylko w kościołach bliskich epicentrum, byłyby w tej analogii odpowiednikami rezonansów pigmejskich" - mówi prof. dr hab. Adam Maj z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN (IFJ PAN) w Krakowie.
W badaniach nad rezonansami pigmejskimi ciężkie jądra atomowe ostrzeliwano dotychczas za pomocą lekkich cząstek, które wzbudzały jądra na wiele sposobów. To znacznie utrudniało zrozumienie zachodzących zjawisk. Tym razem do ostrzału jądra atomowego ołowiu 208Pb użyto ciężkich jonów tlenu 17O. Gdy taki jon trafia w jądro atomowe, wzbudza drgania niemal wyłącznie na jego powierzchni. Dokładność pomiarów w użyciem spektrometru AGATA umożliwiła zbadanie, jak te drgania wyglądają.
Zwykle liczba neutronów w jądrze jest równa lub zbliżona do liczby protonów. Jednak w jądrach ciężkich pierwiastków liczba neutronów może wyraźnie przewyższyć liczbę protonów. W eksperymencie w ośrodku w Legnaro badano zachowanie jąder ołowiu 208Pb, zawierających 82 protony i aż 126 neutronów. "Nadmiarowe neutrony w jądrze wykazują tendencję do rozmieszczania się na powierzchni jądra atomowego. Tworzy się "skórka neutronowa", otaczająca protony i pozostałe neutrony", wyjaśnia doktorant Mateusz Krzysiek z IFJ PAN.
Gdy w jądro ciężkiego pierwiastka uderzy inna cząstka, neutrony w jądrze zaczynają drgać względem protonów. Te drgania, przebiegające ze znaczną częstotliwością, a zatem i dużą energią fizycy nazywają gigantycznym rezonansem dipolowym. W jądrach atomowych ze "skórką neutronową" pojawia się jednak jeszcze jeden rodzaj drgań: neutrony skórki, znajdujące się w pobliżu miejsca zderzenia, mogą dodatkowo same wibrować. Energia tych wibracji jest tak duża, że pozbywając się jej, jądro atomowe emituje kwanty wysokoenergetycznego promieniowania gamma. W tego typu rezonansach uczestniczy znacznie mniej neutronów niż w gigantycznym rezonansie, sygnał jest więc znacznie słabszy i w konsekwencji trudny do zarejestrowania. Stąd przymiotnik: pigmejski.
"Precyzyjne pomiary energii kwantów gamma, przeprowadzone dzięki spektrometrowi AGATA, pozwoliły wyjaśnić dwie kwestie. Po pierwsze, wreszcie wiemy, że skórka neutronowa: 'oddycha' pulsując, a nie oscyluje na boki. Po drugie, ustaliliśmy, że za rezonanse pigmejskie w ołowiu 208Pb odpowiadają wibracje zaledwie 9% wszystkich neutronów, i to tych znajdujących się na powierzchni" - podsumowuje prof. Maj.
Badania rezonansów pigmejskich są dla fizyków ważne w związku z przewidywaniami, że te zjawiska mogą mieć istotne znaczenie dla procesów zachodzących w gwiazdach neutronowych, a także w syntezie pierwiastków na wczesnych etapach ewolucji Wszechświata po Wielkim Wybuchu.
Badania z użyciem spektrometru AGATA prowadzi kilkudziesięcioosobowy zespół fizyków z Polski, Włoch, Niemiec, Francji, Hiszpanii, Szwecji, Norwegii i Wielkiej Brytanii. Grupę polską w Legnaro tworzą fizycy z krakowskiego IFJ PAN, od lat zajmujący się rezonansami jądrowymi.
Na podstawie informacji prasowej Instytutu Fizyki Jądrowej PAN.