Natura sił jądrowych odciśnięta w fotonach

26 czerwca 2020

EurekAlert!: [https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-06/thni-tno062620.php]

Dwuwymiarowa mapa powierzchni „jakości dopasowania linii gamma” (powierzchni chi^2) w funkcji jej energii przejścia Eγ i czasu życia τ badanego stanu jądrowego. Minimum powierzchni, zaznaczone krzyżem, wyznacza najlepsze wartości dopasowania Eγ i τ, a czarna linia obrazuje niepewności (błędy) tych wielkości. W tle grafiki przedstawiono trzy układy detektorów używanych podczas eksperymentu: AGATA, PARIS i VAMOS. (Źródło: IFJ PAN)

Naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk wraz ze współpracownikami z Uniwersytetu w Mediolanie oraz innych krajów potwierdzili konieczność uwzględnienia oddziaływania trójnukleonowego w opisie elektromagnetycznych przejść w jądrze atomowym ²⁰O. Istotnym elementem służącym do weryfikacji współczesnych obliczeń teoretycznych struktury jądrowej było zastosowanie najnowocześniejszych układów detektorów promieniowania gamma oraz nowo opracowanej techniki pomiaru femtosekundowych czasów życia egzotycznych jąder wytwarzanych w głęboko nieelastycznych reakcjach ciężkich jonów.

Jądra atomowe składają się z nukleonów – protonów i neutronów. Protony i neutrony są z kolei układami kwarków i gluonów związanych oddziaływaniami silnymi, czyli jądrowymi. Fizyka kwarków i gluonów opisywana jest przez chromodynamikę kwantową (QCD), można by więc oczekiwać, że także właściwości sił jądrowych będą wynikały z tej teorii. Niestety, pomimo wielu usiłowań, wyznaczenie charakterystyk oddziaływań silnych w oparciu o QCD napotyka na ogromne trudności obliczeniowe. O własnościach sił jądrowych wiadomo jednak stosunkowo dużo – wiedza ta uzyskana została na podstawie wieloletnich eksperymentów. Skonstruowano również modele teoretyczne, które potrafią odtworzyć podstawowe właściwości sił działających pomiędzy parą nukleonów – opierają się one na tak zwanych efektywnych potencjałach oddziaływania nukleon-nukleon.

Znając szczegóły interakcji pomiędzy dwójkami nukleonów, można by się spodziewać, że opis struktury dowolnego jądra atomowego nie będzie stanowić problemu. Okazuje się jednak, że gdy do układu dwóch nukleonów doda się trzeci, siła przyciągania pomiędzy dwoma pierwszymi nukleonami wzrasta. Podobnie zwiększa się siła oddziaływania pomiędzy składnikami każdej pary nukleonów znajdującej się w układzie trójciałowym – pojawia się dodatkowa siła, która nie występuje w przypadku izolowanej pary. Ten zagadkowy przyczynek nazywany jest nieredukowalną siłą trójnukleonową.

Sytuacja ta stała się inspiracją dla naukowców z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk oraz ich kolegów z Uniwersytetu w Mediolanie, którzy zorientowali się, że dobrym testem na występowanie w jądrach sił trójnukleonowych może być określenie czasów rozpadu wyselekcjonowanych stanów wzbudzonych występujących w bogatych w neutrony izotopach tlenu i węgla. W wyniku dogłębnych analiz narodził się pomysł eksperymentu, którego koordynatorami zostali prof. Silvia Leoni z Uniwersytetu Mediolańskiego oraz dr Michał Ciemała i prof. Bogdan Fornal z IFJ PAN. Do współpracy zaproszono również badaczy pracujących we francuskim laboratorium GANIL w Caen.

Celem eksperymentu było wyznaczenie czasów życia wzbudzonych stanów jądrowych dla bogatych w neutrony izotopów węgla i tlenu, ¹⁶C oraz ²⁰O – wyjaśnia prof. Fornal. – To właśnie w tych jądrach występują stany wzbudzone, które wydają się być szczególnie czułe na uwzględnienie w obliczeniach również oddziaływania trójciałowego (nukleon-nukleon-nukleon – NNN) oprócz oddziaływania jądrowego dwuciałowego (nukleon-nukleon – NN). W przypadku jądra ²⁰O czas życia drugiego stanu wzbudzonego 2+ obliczony z uwzględnieniem wyłącznie oddziaływania NN powinien wynosić 320 femtosekund, natomiast przy uwzględnieniu oddziaływań NN oraz NNN obliczenia dają wynik 200 femtosekund. Dla czasu życia drugiego stanu 2+ w ¹⁶C różnica jest jeszcze większa: 370 femtosekund (NN) w porównaniu do 80 femtosekund (NN + NNN).

Eksperyment mający na celu pomiar czasów życia przeprowadzono w ośrodku badawczym GANIL znajdującym się w Caen we Francji. Wykorzystano w nim detektory promieniowania gamma (AGATA oraz PARIS) połączone ze spektrometrem magnetycznym (VAMOS). W reakcji wiązki 18O z tarczą 181Ta powstawały wzbudzone jądra atomowe pierwiastków B, C, N, O i F w wyniku procesów głębokiego nieeleastycznego rozpraszania lub transferu nukleonów. Wzbudzone stany kwantowe w badanych poruszających się jądrach rozpadały się poprzez emisję wysokoenergetycznych fotonów, których energia była przesunięta względem energii przejść w układzie spoczynkowym. Przesunięcie to jest zależne od prędkości emitującego je jądra oraz kąta emisji. Zjawisko to opisuje relatywistyczny wzór Dopplera.

Dla czasów życia poziomów jądrowych krótszych niż czas przelotu wzbudzonego jądra przez tarczę (około 300 femtosekund) emisja kwantu gamma w większości przypadków może nastąpić, gdy jądro znajduje się jeszcze w tarczy. W opisywanym przypadku naukowcy dokonywali pomiaru prędkości jądra po przejściu przez tarczę i, używając tej prędkości do skorygowania widma energii promieniowania gamma, otrzymali linie widmowe o kształcie odpowiadającym rozkładowi Gaussa dla przypadków, gdy czas życia stanu wzbudzonego jest długi, oraz linie widmowe posiadające asymetryczną komponentę dla czasów życia z zakresu 100–200 femtosekund lub całkowicie przesunięte do mniejszych energii (dla czasu życia poniżej 100 femtosekund).

Do wyznaczenia wartości czasu życia przeprowadziliśmy symulacje, których wynik porównaliśmy ze zmierzonym widmem energii promieniowania gamma – mówi dr Ciemała, autor wykorzystanej w doświadczeniu nowatorskiej koncepcji pomiaru czasu rozpadu stanów jądrowych. – W opisywanym eksperymencie po raz pierwszy zastosowano wyżej opisaną metodę do wyznaczenia czasu życia wzbudzonych stanów w jądrach wytworzonych w reakcjach głęboko nieelastycznych. Wymagało to stworzenia zaawansowanych kodów symulacyjnych Monte Carlo, uwzględniających kinematykę reakcji, a także odtwarzających zmierzone rozkłady prędkości produktów reakcji. Zastosowana metoda, w połączeniu z użytymi układami detekcyjnymi, pozwoliła uzyskać ostateczny wynik.

Dzięki opisanym pracom badawczym po raz pierwszy udało się zmierzyć czas życia rzędu dziesiątek i setek femtosekund stanu jądrowego utworzonego w reakcji głęboko nieelastycznej – w opisanym przypadku był to drugi stan 2+ w jądrze ²⁰O. Poprawność działania nowej metody wykazano przez określenie czasów życia dla stanów wzbudzonych w jądrze ¹⁹O, które odpowiadały danym literaturowym. Co istotne, czas życia badanego stanu w ²⁰O zgadza się z przewidywaniami obliczeń teoretycznych tylko wtedy, gdy zostaną w nich uwzględnione jednocześnie oddziaływania dwu- i trójciałowe. Dzięki temu można użyć wielkości pomiarowych dostarczanych przez przejścia elektromagnetyczne i uzyskanych za pomocą precyzyjnej spektroskopii gamma do oceny jakości obliczeń ab initio struktury jądrowej.

Opracowana procedura umożliwia prowadzenie pomiarów czasów życia stanów wzbudzonych dla bardzo egzotycznych jąder dalekich od ścieżki stabilności, możliwych do utworzenia w reakcjach głęboko nieelastycznych z zastosowaniem wiązek radioaktywnych o dużych intensywnościach, które będą niedługo dostępne na przykład w laboratorium INFN Laboratori Nazionali di Legnaro koło Padwy we Włoszech – przekonuje prof. Fornal. – Uzyskane informacje będą niezwykle istotne z punktu widzenia astrofizyki jądrowej i z pewnością przyczynią się do postępu w rozumieniu tworzenia jąder atomowych w procesie „r” zachodzącym podczas wybuchów supernowych lub łączenia się gwiazd neutronowych, które zostało ostatnio zaobserwowane za pomocą pomiaru fal grawitacyjnych w koincydencji z promieniowaniem gamma.

[PDF]

Kontakt:

dr inż. Michał Ciemała
Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
tel. +48 12 662 8207
email: michal.ciemala@ifj.edu.pl

Publikacje naukowe:

„Testing ab initio nuclear structure in neutron-rich nuclei: lifetime measurements of second 2+ states in ¹⁶C and ²⁰O”
1. M. Ciemała, S. Ziliani, F.C.L. Crespi, S. Leoni, B. Fornal, A. Maj, P. Bednarczyk, G. Benzoni, A. Bracco, C. Boiano, S. Bottoni, S. Brambilla, M. Bast, M. Beckers, T. Braunroth, F. Camera, N. Cieplicka-Oryńnczak1, E. Clément5, S. Coelli, O. Dorvaux, S. Erturk, G. de France, C. Fransen, A. Goldkuhle, J. Grębosz, M.N. Harakeh, L.W. Iskra, B. Jacquot, A. Karpov, M.Kicińska-Habior, Y. Kim, M. Kmiecik, A. Lemasson, S.M. Lenzi, M. Lewitowicz, H. Li, I. Matea, K. Mazurek, C. Michelagnoli, M. Matejska-Minda, B. Million, C. Müller-Gatermann, V. Nanal, P. Napiorkowski, D.R. Napoli, R. Palit, M. Rejmund, Ch. Schmitt, M. Stanoiu, I. Stefan, E. Vardaci , B. Wasilewska, O. Wieland, M. Zieblinski, M. Zielińska20, A. Ataç, D. Barrientos, B. Birkenbach, A.J. Boston, B. Cederwall, L. Charles, J. Collado, D.M. Cullen, P. Désesquelles, C. Domingo-Pardo, J. Dudouet, J. Eberth, V. González, J. Goupil, L.J. Harkness-Brennan, H. Hess, D.S. Judson, A. Jungclaus, W. Korten, M. Labiche, A. Lefevre, R. Menegazzo, D. Mengoni, J. Nyberg, R.M. Perez-Vidal, Zs. Podolyak, A. Pullia, F. Recchia, P. Reiter, F. Saillant, M.D. Salsac, E. Sanchis, O. Stezowski, Ch. Theisen, J.J. Valiente-Dobón, J.D. Holt, J. Menéndez, A. Schwenk, J. Simonis ;
Physical Review C 101, 021303(R) (2020);
DOI: 10.1103/PhysRevC.101.021303
Otwarty dostęp: https://arxiv.org/pdf/2002.04814.pdf

Materiały graficzne:

Dwuwymiarowa mapa powierzchni „jakości dopasowania linii gamma” (powierzchni chi^2) w funkcji jej energii przejścia Eγ i czasu życia τ badanego stanu jądrowego. Minimum powierzchni, zaznaczone krzyżem, wyznacza najlepsze wartości dopasowania Eγ i τ, a czarna linia obrazuje niepewności (błędy) tych wielkości. W tle grafiki przedstawiono trzy układy detektorów używanych podczas eksperymentu: AGATA, PARIS i VAMOS. (Źródło: IFJ PAN)