Jak odsłonić prawdziwe oblicze jąder atomowych? Ze szkoły wiemy, że ich podstawowymi składnikami są protony i neutrony. Nie wiemy jednak, czy te cząstki są rozmieszczone w jądrach pojedynczo, czy może grupują się w czwórki, po dwa protony i dwa neutrony? Fizycy z Polski i Hiszpanii przedstawili na łamach prestiżowego czasopisma "Physical Review Letters" pomysł, jak w przyszłych eksperymentach dostrzec prawdziwy wygląd jąder atomowych.
Zgodnie z podręcznikowym obrazem, protony i neutrony w jądrach atomowych są rozmieszczone jednorodnie i poruszają się niezależnie od siebie. Wiele jednak przemawia za tym, że nukleony w jądrach wielu pierwiastków w rzeczywistości grupują się w niewielkie klastry, np. jądra helu złożone są z dwóch protonów i dwóch neutronów. Bezpośrednie pomiary tego efektu są jednak niezwykle trudne, a dotychczasowe wyniki niejednoznaczne.
Fizycy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN (IFJ PAN) w Krakowie i hiszpańskiego Universidad de Grenada (UG) opisali metodę, która w przyszłych eksperymentach pozwoli ustalić, czy protony i neutrony w jądrach rzeczywiście się grupują, czy też każdy z nich "żyje na własną rękę". Badania były współfinansowane przez Narodowe Centrum Nauki.
Przewidywania, że nukleony wewnątrz jąder atomowych mogą grupować się w klastry pojawiły się już ponad 80 lat temu. W 1931 roku słynny fizyk George Gamow wysunął przypuszczenie, że jądra atomowe składają się z cząstek (klastrów) alfa, czyli zlepków dwóch protonów i dwóch neutronów. Mimo upływu czasu nie udało się tego doświadczalnie potwierdzić. Z zaawansowanych symulacji komputerowych wynikało jednak, że jądro berylu 9Be składa się z dwóch klastrów alfa i dodatkowego neutronu, ma więc kształt bardziej przypominający hantel niż kulę.
Niektóre eksperymenty z użyciem akceleratorów wskazują na istnienie klastrów alfa w jądrach cięższych pierwiastków, np. trzech w jądrze węgla 12C, czterech w jądrze tlenu 16O, dziesięciu w wapniu 40Ca i czternastu w niklu 56Ni.
Uważamy, że jeśli jądra atomowe są zbudowane z klastrów alfa, to ślady po tej strukturze będzie można zobaczyć w ruchu cząstek powstających wskutek ultrarelatywistycznych zderzeń odpowiednio dobranych jąder atomowych - mówi współautor pracy, prof. dr hab. Wojciech Broniowski (IFJ PAN).
W zderzeniach ultrarelatywistycznych jądra atomowe poruszają się z prędkościami bardzo bliskimi prędkości światła. Z tego powodu ich konfiguracja przestrzenna w trakcie trwającego niezwykle krótko zderzenia jest "zamrożona". W wyniku kolizji takich jąder powstaje plazma kwarkowo-gluonowa, która zachowuje się jak płyn: "rozlewa się" na wszystkie strony. Okazuje się, że prędkość "rozlewania" nie jest jednakowa we wszystkich kierunkach, a te różnice mają związek z pierwotnym kształtem zderzających się jąder atomowych.
Po kilku femtosekundach od początku zderzenia, czyli milionowych części jednej miliardowej sekundy, dochodzimy do ciekawego momentu - mówi prof. Broniowski. Rozlewająca się plazma zaczyna stygnąć i przekształcać w różne cząstki, które są rejestrowane w detektorach. Prędkości tych cząstek są nieco większe w tych kierunkach, w których plazma płynie szybciej. Wykazaliśmy, że bardzo uważnie mierząc prędkości cząstek wylatujących z obszaru zderzenia, można w nich wykryć drobne różnice, które niosą ukrytą informację o pierwotnym kształcie jądra atomowego - wyjaśnia.
Autorzy publikacji w "Physical Review Letters" modelowali zderzenia jąder węgla 12C z jądrami ołowiu 208Pb. Wybór węgla 12C był nieprzypadkowy. Jeśli to jądro składa się z trzech klastrów alfa, powinno mieć kształt zbliżony do trójkąta. W takiej sytuacji różnice w prędkościach cząstek powstających przy zderzeniu powinny szczególnie wyraźnie zależeć od kierunku: cząstki będą poruszać się szybciej w kierunkach prostopadłych do boków trójkąta i wolniej w kierunkach wyznaczonych przez wierzchołki. Z kolei bardzo ciężkie jądro ołowiu jest potrzebne, by zagwarantować wytworzenie gęstej plazmy kwarkowo-gluonowej, zdolnej do przepływu.
Nasza metoda powinna działać także w przypadku cięższych jąder atomowych, na przykład jądra tlenu 16O, które prawdopodobnie ma kształt piramidy. Jednak im więcej klastrów, tym jądra stają się efektywnie bardziej kuliste i różnice w prędkościach cząstek w zależności od kierunku są wtedy trudniejsze do wykrycia - wyjaśnia prof. Enrique Ruiz Arriola (UG).
Wciąż nie wiemy, czy nukleony tworzą w jądrach klastry alfa. Jednak wiemy już, jak się tego dowiedzieć. Kolejny krok na drodze do poznania budowy jądra atomowego należy teraz do eksperymentatorów - podsumowuje prof. Broniowski.
Na podstawie informacji prasowej Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk.