Jak odsłonić prawdziwe oblicze jąder atomowych?

9 lipca 2014

AlphaGalileo: [http://www.alphagalileo.org/ViewItem.aspx?ItemId=143588&CultureCode=pl]

Dwa modele jądra atomowego węgla 12C. Czy składa się ono z trzech klastrów alfa (czyli ciasno związanych grup zbudowanych z pary protonów i pary neutronów), jak po lewej, czy jest jednorodnym zlepkiem pojedynczych nukleonów, jak po prawej?
(Źródło: IFJ PAN, Tentaris)

Podstawowymi składnikami jąder atomowych są protony i neutrony. Czy cząstki te są rozmieszczone w jądrach pojedynczo, czy może grupują się w czwórki, po dwa protony i dwa neutrony? Fizycy z Polski i Hiszpanii przedstawili niedawno pomysł, jak w przyszłych eksperymentach dostrzec prawdziwy wygląd jąder atomowych.

Indywidualiści czy raczej zwolennicy życia rodzinnego? Zgodnie z podręcznikowym obrazem, protony i neutrony w jądrach atomowych są rozmieszczone jednorodnie i poruszają się niezależnie od siebie. Jest jednak sporo przesłanek przemawiających za tym, że nukleony w jądrach wielu pierwiastków w rzeczywistości grupują się w niewielkie klastry, np. w jądra helu złożone z dwóch protonów i dwóch neutronów. Bezpośrednie pomiary tego efektu są jednak niezwykle trudne, a dotychczasowe wyniki niejednoznaczne. Jak więc zobaczyć prawdziwe oblicze jądra atomowego?

Na łamach prestiżowego czasopisma naukowego „Physical Review Letters”, w artykule wyróżnionym przez redakcję, 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.

Sugestie dotyczące możliwości grupowania się nukleonów w klastry wewnątrz jąder atomowych 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 dekad wciąż nie ma jednoznacznych dowodów eksperymentalnych potwierdzających występowanie klastrów alfa w jądrach atomowych. Z zaawansowanych symulacji komputerowych wiadomo jednak, że np. 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 prof. dr hab. Wojciech Broniowski (IFJ PAN), jeden ze współautorów publikacji.

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 jednak, że prędkość „rozlewania” nie jest jednakowa we wszystkich kierunkach: w jednych płynie ona nieco szybciej, w innych nieco wolniej. Te różnice okazują się mieć związek z pierwotnym kształtem zderzających się jąder atomowych.

„Po kilku femtosekundach od początku zderzenia, czyli milionowych części jednej miliardowej sekundy, dochodzimy do ciekawego momentu”, zauważa 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”.

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).

Łączenie się obiektów w grupy to uniwersalny, potężny mechanizm obniżania energii układów fizycznych podlegających przyciąganiu. Występuje w przyrodzie powszechnie, we wszystkich skalach odległości. Kwarki dolne i górne grupują się po trzy tworząc protony i neutrony, nukleony tworzą jądra atomowe, atomy łączą się w mniej lub bardziej trwałe cząsteczki chemiczne, a drobiny wody zawarte w powietrzu zamarzają w płatki śniegu. W skalach kosmicznych gwiazdy formują galaktyki, a galaktyki gromady. W naszym życiu my, ludzie, by zimą uniknąć wychłodzenia na mrozie zbijamy się w grupki...

„Wciąż nie wiemy, czy nukleony tworzą w jądrach w 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.

[PDF]

Kontakt:

prof. dr hab. Wojciech Broniowski
Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
tel. +48 12 6628431
email: wojciech.broniowski@ifj.edu.pl

Prace naukowe:

„Signatures of Alfa Clustering in Light Nuclei from Relativistic Nuclear Collisions”
W. Broniowski, Enrique Arriola; Physical Review Letters, 112, 112501 (2014)