Pierwsze lekkie jądro atomowe z drugą twarzą

19 lipca 2017

EurekAlert!: [https://eurekalert.org/pub_releases/2017-07/thni-tfl072017.php]

Międzynarodowy zespół fizyków zarejestrował w eksperymencie w rumuńskim ośrodku akceleratorowym IFIN-HH „drugą twarz” jąder atomowych niklu-66: stosunkowo stabilny stan wzbudzony, w którym jądro ma zmieniony kształt. (Źródło: IFIN-HH)

Z pewnym przybliżeniem jądra atomowe wyglądają jak kule, w większości przypadków mniej lub bardziej zniekształcone. Gdy jądro zostanie wzbudzone, jego kształt może się zmienić, lecz tylko na ekstremalnie krótką chwilę, po czym wraca do stanu pierwotnego. W miarę trwałą „drugą twarz” jąder atomowych obserwowano dotychczas tylko u najbardziej masywnych pierwiastków. W spektakularnym eksperymencie fizyków z Polski, Włoch, Japonii, Belgii i Rumunii po raz pierwszy udało się ją zarejestrować w jądrze uznawanym za lekkie.

Jądra atomowe potrafią zmieniać swój kształt w zależności od ilości posiadanej energii lub prędkości, z jaką się obracają. Zmiany związane tylko z dodawaniem energii (a zatem bez uwzględniania obrotów) bywają w miarę stabilne wyłącznie w jądrach najbardziej masywnych pierwiastków. Teraz się okazuje, że jądra pierwiastków znacznie lżejszych, takich jak nikiel, również mogą nieco dłużej zastygnąć w swoim nowym kształcie. Odkrycia dokonał zespół naukowców z włoskiego Universita degli Studi di Milano (UniMi), Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie, rumuńskiego Narodowego Instytutu Fizyki i Inżynierii Jądrowej (IFIN-HH), japońskiego Uniwersytetu Tokijskiego oraz belgijskiego Uniwersytetu Brukselskiego. Obliczenia niezbędne do przygotowania eksperymentu okazały się tak skomplikowane, że do ich przeprowadzenia trzeba było użyć infrastruktury komputerowej składającej się z około miliona procesorów. Wysiłek nie poszedł na marne: publikacja opisująca osiągnięcie została wyróżniona przez redaktorów prestiżowego czasopisma fizycznego „Physical Review Letters”.

Zbudowane z protonów i neutronów, jądra atomowe na ogół są uważane za obiekty kuliste. Tymczasem w rzeczywistości większość jąder atomowych to struktury w mniejszym lub większym stopniu zdeformowane, spłaszczone lub wydłużone wzdłuż jednej, dwóch, a nierzadko nawet wszystkich trzech osi. Co więcej, tak jak piłka spłaszcza się mniej lub bardziej w zależności od siły wywieranej na nią przez dłoń, tak jądra atomowe mogą zmieniać swoją deformację w zależności od ilości posiadanej energii, nawet gdy się nie kręcą.

„Gdy jądru atomowemu dostarczymy odpowiednią porcję energii, może ono przejść do stanu o innej deformacji kształtu niż typowa dla stanu podstawowego. Taka nowa deformacja – mówiąc obrazowo: nowa twarz – jest jednak bardzo nietrwała. Jak piłka po odsunięciu dłoni, którą ją wcześniej zniekształcała, tak jądro wraca do swojej pierwotnej postaci, tyle że robi to znacznie, znacznie szybciej, w czasach rzędu miliardowych części jednej miliardowej sekundy lub nawet krótszych. Zamiast o drugiej twarzy jądra atomowego, lepiej więc chyba mówić tu tylko o grymasie...”, opisuje prof. dr hab. Bogdan Fornal (IFJ PAN), w którego grupie badawczej znajdowali się dr Natalia Cieplicka-Oryńczak, dr Łukasz Iskra i dr inż. Mateusz Krzysiek.

W ostatnich kilkudziesięciu latach zebrano dowody potwierdzające, że w jądrach niewielkiej liczby pierwiastków występuje jednak stosunkowo stabilny stan ze zdeformowanym kształtem. Pomiary wykazały, że jądra niektórych aktynowców – pierwiastków o liczbach atomowych od 89 (aktyn) do 103 (lorens) – są zdolne utrzymać swoją „drugą twarz” nawet dziesiątki milionów razy dłużej niż pozostałe jądra. Aktynowce to pierwiastki o sumarycznej liczbie protonów i neutronów znacznie przekraczającej 200, a więc bardzo masywne. Wśród nieobracających się jąder pierwiastków lżejszych dotychczas nigdy nie zaobserwowano stanu wzbudzonego ze zdeformowanym kształtem, charakteryzującego się zwiększoną stabilnością.

„Wraz z prof. Michelem Sferrazzą, obecnie pracującym na uniwersytecie w Brukseli, już na początku lat 90. zwróciliśmy uwagę, że dwa teoretyczne modele wzbudzeń jądrowych przewidują istnienie w miarę stabilnych stanów ze zdeformowanym kształtem w jądrach pierwiastków lekkich. Wkrótce pojawił się trzeci model, który także prowadził do podobnych wniosków. Naszą uwagę przykuł nikiel-66, ponieważ występował w przewidywaniach wszystkich trzech modeli”, wspomina prof. Fornal.

Możliwość doświadczalnego poszukiwania względnie stabilnych stanów ze zdeformowanym kształtem w jądrze Ni-66 pojawiła się jednak dopiero niedawno. Nowa metoda eksperymentalna, zaproponowana przez prof. Silvię Leoni (UniMi), w połączeniu z obliczeniowo niezwykle wyrafinowanym modelem powłokowym Monte Carlo, skonstruowanym przez teoretyków z Uniwersytetu Tokijskiego, umożliwiły zaprojektowanie odpowiednich, precyzyjnych pomiarów. Ostatecznie doświadczenie zrealizowano na akceleratorze 9 MV FN Pelletron Tandem działającym w rumuńskim Narodowym Instytucie Fizyki i Inżynierii Jądrowej (IFIN-HH).

W eksperymencie w Bukareszcie tarczę z niklu-64 ostrzeliwano jądrami tlenu-18. W stosunku do tlenu-16, który jest głównym (99,76%) izotopem tlenu atmosferycznego, jądra te zawierają dwa dodatkowe neutrony. W trakcie zderzeń oba nadmiarowe neutrony mogą być przekazywane jądrom niklu, co prowadzi do powstania niklu-66, którego kształtem podstawowym jest prawie idealna kula. Przy właściwie dobranych energiach zderzeń niewielka część tak utworzonych jąder Ni-66 trafia do pewnego stanu ze zdeformowanym kształtem, który – jak wykazały pomiary – okazał się nieco trwalszy od wszystkich innych stanów wzbudzonych związanych ze znacznym odkształceniem. Innymi słowy, jądro znalazło się w lokalnym, głębokim minimum potencjału.

„Zmierzone przez nas wydłużenie czasu życia stanu ze zdeformowanym kształtem jądra Ni-66 nie jest tak spektakularne jak u aktynowców, gdzie sięgało dziesiątków milionów razy. My zarejestrowaliśmy wzrost jedynie pięciokrotny. Niemniej i tak pomiar okazał się wyjątkowy, ponieważ wśród jąder lekkich jest pierwszą obserwacją tego typu”, podsumowuje prof. Fornal i podkreśla, że zmierzone czasy opóźnienia powrotu do stanu podstawowego są akceptowalnie zgodne z wartościami dostarczonymi przez nowy model teoretyczny, co dodatkowo podnosi rangę osiągnięcia. Żaden z wcześniejszych modeli deformacji jądrowych nie pozwalał bowiem na tak szczegółowe przewidywania. Nowe podejście teoretyczne powinno więc być pomocne przy opisie jeszcze nieodkrytych kilku tysięcy jąder atomowych.

Po stronie polskiej badania sfinansowano ze środków Narodowego Centrum Nauki.

[PDF]

Kontakt:

prof. dr hab. Bogdan Fornal
Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
tel. +48 12 6628207
email: bogdan.fornal@ifj.edu.pl

Prace naukowe:

„Multifaceted Quadruplet of Low-Lying Spin-Zero States in 66Ni: Emergence of Shape Isomerism in Light Nuclei”
S. Leoni, B. Fornal, N. Marginean, M. Sferrazza et al.; Physical Review Letters 118, 162502 (2017);
DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.162502

Materiały graficzne:

Międzynarodowy zespół fizyków zarejestrował w eksperymencie w rumuńskim ośrodku akceleratorowym IFIN-HH „drugą twarz” jąder atomowych niklu-66: stosunkowo stabilny stan wzbudzony, w którym jądro ma zmieniony kształt. (Źródło: IFIN-HH)