Атомные ядра способны изменять свою форму в зависимости от количества энергии, которой они обладают, или скорости вращения. Изменения, связанные только с добавлением энергии (а значит, без учета спина), относительно стабильны только в ядрах наиболее массивных элементов. Теперь выясняется, что ядра гораздо более легких элементов, таких как никель, также могут немного дольше сохраняться в своей новой форме. Открытие было сделано группой ученых из итальянского Университета дельи Студи ди Милано (UniMi), Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове, Румынского национального института физики и ядерной инженерии ( IFIN-HH), Японский университет Токио и Бельгийский университет Брюсселя.
Вычисления, необходимые для подготовки эксперимента, оказались настолько сложными, что для их выполнения потребовалась компьютерная инфраструктура, насчитывающая около миллиона процессоров. Усилия не пропали даром: публикацию с описанием достижения отметили редакция журнала Physical Review Letters.
Состоящие из протонов и нейтронов атомные ядра обычно считаются сферическими структурами. Однако в действительности большинство атомных ядер представляют собой структуры, деформированные в большей или меньшей степени: сплющенные или вытянутые по одной, двум, а иногда даже по всем трем осям.
Более того, подобно тому, как шар сгибается в большей или меньшей степени в зависимости от силы, приложенной к нему рукой, атомные ядра могут изменять свою деформацию в зависимости от количества энергии, которой они обладают, даже когда они не вращаются.«Когда ядру атома подается нужное количество энергии, оно может перейти в состояние с деформацией формы, отличной от типичной для основного состояния. Эта новая деформация — иллюстративно говоря: ее новое лицо — однако, очень нестабильно.
Точно так же, как мяч возвращается к своей первоначальной форме после того, как его деформированная рука удаляется, так и ядро возвращается к своей первоначальной форме, но это происходит так много, намного быстрее, в миллиардных долях миллиардной секунды или еще меньше времени. Так что, вместо того, чтобы говорить о втором лице атомного ядра, вероятно, лучше говорить просто о гримасе », — объясняет профессор Богдан Форнал (IFJ PAN), в исследовательскую группу которого входила доктор Наталья Цепличка-Орынчак, Д-р Лукаш Искра и д-р Матеуш Кшишек.
В последние несколько десятилетий были собраны доказательства, подтверждающие, что относительно стабильное состояние с деформированной формой присутствует в ядрах небольшого числа элементов. Измерения показали, что ядра некоторых актинидов — элементов с атомными номерами от 89 (актиний) до 103 (лоуренсий) — способны сохранять свою «вторую грань» даже в десятки миллионов раз дольше, чем другие ядра. Актиниды — это элементы с общим числом протонов и нейтронов намного выше 200, поэтому они очень массивны. До сих пор среди невращающихся ядер более легких элементов ни разу не наблюдалось возбужденное состояние деформированной формы, характеризующееся повышенной стабильностью.
«Вместе с профессором Мишелем Сферрацца, который сейчас работает в Брюссельском университете, еще в начале 1990-х годов мы указали, что две теоретические модели ядерного возбуждения предсказывают существование относительно стабильных состояний с деформированной формой в ядрах легких элементов. Вскоре появилась третья модель, которая также привела к аналогичным выводам. Наше внимание было привлечено к никелю-66, потому что он присутствовал в предсказаниях всех трех моделей », — вспоминает профессор Форнал.Однако возможность экспериментального поиска относительно устойчивых состояний деформированной формы в ядре Ni-66 появилась только недавно.
Новый экспериментальный метод, предложенный профессором Сильвией Леони (UniMi), в сочетании с чрезвычайно сложной в вычислительном отношении моделью оболочки Монте-Карло, разработанной теоретиками Токийского университета, позволил разработать соответствующие точные измерения. Эксперимент проводился на ускорителе FN Pelletron Tandem мощностью 9 МВ, работающем в Национальном институте физики и ядерной инженерии Румынии (IFIN-HH).
В эксперименте в Бухаресте мишень из никеля-64 была обстреляна ядрами кислорода-18. По сравнению с кислородом-16, который является основным (99,76%) изотопом атмосферного кислорода, эти ядра содержат два дополнительных нейтрона.
Во время столкновений оба лишних нейтрона могут передаваться ядрам никеля, в результате чего образуется никель-66, основная форма которого представляет собой почти идеальную сферу. При правильно выбранной энергии столкновения небольшая часть образованных таким образом ядер Ni-66 достигает определенного состояния с деформированной формой, которая, как показали измерения, оказалась немного более стабильной, чем все другие возбужденные состояния, связанные со значительной деформацией.
Другими словами, ядро находилось в локальном глубоком минимуме потенциала.«Измеренное нами увеличение продолжительности жизни деформированной формы ядра Ni-66 не столь впечатляюще, как у актинидов, где оно достигло десятков миллионов раз.
Мы зафиксировали только пятикратный рост. Тем не менее, измерение было исключительным, потому что это было первое наблюдение такого рода на легких ядрах », — заключает профессор Форнал и подчеркивает, что измеренные времена задержки возврата в основное состояние в приемлемой степени соответствуют значениям, предоставленным новой теоретической моделью, которая еще больше увеличивает достижение. Ни одна из более ранних моделей ядерной структуры не позволяла делать такие подробные предсказания.
Это говорит о том, что новый теоретический подход должен быть полезен при описании нескольких тысяч ядер, которые еще не были обнаружены.С польской стороны исследование финансировалось Национальным научным центром.Институт ядерной физики им. Генрика Неводничанского (IFJ PAN) в настоящее время является крупнейшим исследовательским институтом Польской академии наук.
Широкий спектр исследований и деятельности IFJ PAN включает фундаментальные и прикладные исследования, начиная от физики элементарных частиц и астрофизики, через физику адронов, ядерную физику высоких, средних и низких энергий, физику конденсированного состояния (включая инженерию материалов), различные применения методов ядерной физики в междисциплинарных исследованиях, охватывающих медицинскую физику, дозиметрию, радиационную биологию и биологию окружающей среды, защиту окружающей среды и другие смежные дисциплины. Средний годовой доход IFJ PAN включает более 500 научных статей в Journal Citation Reports, опубликованном Thomson Reuters.
Частью института является Циклотронный центр в Броновицах (CCB), который представляет собой уникальную в Центральной Европе инфраструктуру, служащую клиническим и исследовательским центром в области медицинской и ядерной физики. IFJ PAN является членом Краковского исследовательского консорциума Мариана Смолуховского: «Материя-энергия-будущее», который имеет статус Ведущего национального исследовательского центра (KNOW) в области физики на 2012-2017 годы.
Институт имеет категорию A + (ведущий уровень в Польше) в области науки и техники.