„Rozciągnięte” stany jądrowe pod lupą krakowskiego cyklotronu
EurekAlert!: [https://www.eurekalert.org/news-releases/970127]
3 listopada 2022
Przygotowania do eksperymentu z rozciągniętymi stanami jądrowymi w Centrum Cyklotronowym Bronowice IFJ PAN w Krakowie. W prawej części kadru widać okrągłe tarcze węglowe. Na zdjęciu Sara Ziliani z Uniwersytetu w Mediolanie, jedna ze współautorek badań. (Źródło: IFJ PAN)
Wszystkie pierwiastki powstały w procesie ewolucji Wszechświata zdominowanym przez lekkie jądra atomowe. Właściwości tych jąder mają więc kluczowe znaczenie nie tylko w astrofizyce, ale również w odniesieniu do naszej codzienności. Wiedzę o lekkich jądrach atomowych udało się właśnie poszerzyć dzięki przeprowadzonym w Krakowie badaniom akceleratorowym nad specyficznymi stanami wzbudzonymi jąder węgla 13C.
Precyzyjna obserwacja zjawisk zachodzących w jądrach atomowych, zwłaszcza stanów o wysokich energiach, to zadanie ekstremalnie trudne zarówno od strony technicznej, jak i teoretycznej. Istnieją jednak odmiany wysoko położonych w energii wzbudzeń jąder atomowych, które z uwagi na swoją specyficzną strukturę mogą być obserwowane i interpretowane z dużą dokładnością. Zespół fizyków z Polski, Włoch, Francji, Belgii, Holandii, Niemiec i Rumunii przeprowadził serię pomiarów takich stanów w Centrum Cyklotronowym Bronowice w Krakowie, gdzie wiązkę protonów z akceleratora skolimowano na tarczach węgla 13C. O wynikach naukowcy poinformowali w artykule opublikowanym w czasopiśmie „Physics Letters B”.
„Nasz najnowszy rezultat dotyczy szczególnego rodzaju wzbudzeń jąder atomowych węgla 13C. Wzbudzenia te, fachowo nazywane rozciągniętymi stanami rezonansowymi, z wielu względów przyciągają zainteresowanie fizyków, zwłaszcza astrofizyków. Konsekwencją obecnego, udanego eksperymentu będzie seria dalszych pomiarów ukierunkowanych na pogłębienie wiedzy o własnościach jąder atomowych innych lekkich izotopów
”, mówi prof. dr hab. Bogdan Fornal, który razem z prof. Silvią Leoni z Università degli Studi di Milano i INFN Sezione di Milano we Włoszech zaproponował tę tematykę badań.
Zachowania jąder atomowych wzbudzonych do wysokich energii są wyjątkowo trudne do obserwacji, ponieważ cząstki tworzące jądra wchodzą w skomplikowane oddziaływania angażujące aż trzy z czterech rodzajów sił występujących w przyrodzie: silne, słabe i elektromagnetyczne. W tym kontekście do głównych zalet „rozciągniętych” stanów energetycznych w lekkich jądrach atomowych należy względna prostota ich opisu teoretycznego, umożliwiająca budowanie modeli dobrze opisujących wyniki pomiarowe. Znakomita zgodność teorii z doświadczeniem stanowi dowód, że wiedzę zdobytą dzięki obserwacjom rozciągniętych stanów jądrowych należy uznać za wiarygodną.
„Jądro znajdujące się w stanie energetycznym nazywanym rozciągniętym można sobie wyobrażać jako układ, w którym pod wpływem zderzenia z protonem z zewnątrz tylko jeden proton lub jeden neutron jądra pokonuje szczelinę energetyczną i przenosi się do stanu energetycznego leżącego w tak zwanym kontinuum energetycznym
”, wyjaśnia dr Natalia Cieplicka-Oryńczak (IFJ PAN), po czym precyzuje: „W kontinuum różne stany energetyczne jądra mogą na siebie nachodzić, co radykalnie utrudnia opis zachodzących zjawisk i ich zrozumienie, a w konsekwencji także interpretowanie danych z eksperymentów. Stany rozciągnięte są więc tak istotne, ponieważ na energetycznej drabince powłok energetycznych w jądrze atomowym to jedne z najwyższych miejsc, gdzie jeszcze można prowadzić względnie proste i jednocześnie precyzyjne obserwacje
”.
W opisywanym doświadczeniu do rozpędzania protonów wykorzystano krakowski cyklotron Proteus C-235. Wyprowadzoną z niego wiązkę koncentrowano na tarczach węglowych przygotowanych w National Institute for Physics and Nuclear Engineering w Bukareszcie. Protony emitowane w trakcie zderzeń wiązki z tarczą rejestrowano za pomocą układu pomiarowego KRATTA, składającego się z sześciu matryc detektorów teleskopowych. Detektory rozmieszczono koncentrycznie wokół osi wiązki protonowej, tak by rejestrowały przede wszystkim protony rozproszone pod kątem 36 stopni do wiązki. Z analiz teoretycznych wynikało bowiem, że właśnie w okolicach takiego kąta powinno być widoczne maksimum rozproszonych protonów związanych ze wzbudzaniem rozciągniętych stanów węgla 13C. Ponadto za pomocą układu 22 innych detektorów promieniowania gamma, wchodzących m.in. w skład nowoczesnego systemu detekcyjnego PARIS oraz detektora cząstek DSSSD, rejestrowano kwanty gamma i lekkie cząstki naładowane (protony, cząstki alfa) emitowane podczas rozpadów badanego rozonansu oraz powstałych jąder pochodnych.
Dzięki pomiarom w krakowskim akceleratorze, sfinansowanym ze środków Narodowego Centrum Nauki, udało się w bezpośredni sposób ustalić, że jądro węgla 13C z badanego stanu rozciągniętego rozpada się na dwa podstawowe sposoby, nazywane kanałami. W kanale występującym najczęściej jądro emituje proton i przekształca się w bor 12B, który następnie emituje kwant gamma. W drugim kanale powstaje węgiel 12C, czemu towarzyszy emisja neutronu (którego w doświadczeniu jednak nie rejestrowano) oraz kwantu gamma.
Z uwagi na znaczenie badań dla rozumienia różnorodnych procesów jądrowych, seria eksperymentów w Centrum Cyklotronowym Bronowice IFJ PAN będzie kontynuowana. Obiektami zainteresowania fizyków staną się teraz jądra atomowe azotu 14N i węgla 12C. W niedalekiej przyszłości podjęta zostanie także próba znalezienia rozciągniętych stanów jądrowych w borze 11B, których istnienie nie było dotychczas jednoznacznie udokumentowane.
[PDF]
Kontakt:
dr Natalia Cieplicka-Oryńczak
Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
tel.: +48 12 662 8237
email: natalia.cieplicka@ifj.edu.pl
Publikacje naukowe:
„The decay of the 21.47-MeV stretched resonance in 13C: A precise probe of the open nuclear quantum system description”
N. Cieplicka-Oryńczak, Y. Jaganathen, B. Fornal, S. Leoni, M.Płoszajczak, M. Ciemała, S. Ziliani, M. Kmiecik, A. Maj, J. Łukasik, P. Pawłowski, B.Sowicki, B. Wasilewska, M. Ziębliński, P. Bednarczyk, C. Boiano, S. Bottoni, A.Bracco, S. Brambilla, I. Burducea, F. Camera, I. Ciepał, C. Clisu, F. C. L. Crespi, K. Dhanmeher, N. Florea, E. Gamba, J. Grębosz, M. N. Harakeh, D. A. Iancu, Ł. W. Iskra, M. Krzysiek, P. Kulessa, N. Marginean, R. Marginean, I. Matea, M. Matejska-Minda, K. Mazurek, B. Million, W. Parol, M. Sferrazza, L. Stan, B. Włoch;
Physics Letters B, 834, 137398;
DOI: https://doi.org/10.1016/j.physletb.2022.137398
Materiały graficzne:
Przygotowania do eksperymentu z rozciągniętymi stanami jądrowymi w Centrum Cyklotronowym Bronowice IFJ PAN w Krakowie. W prawej części kadru widać okrągłe tarcze węglowe. Na zdjęciu Sara Ziliani z Uniwersytetu w Mediolanie, jedna ze współautorek badań. (Źródło: IFJ PAN)
Kalibracja układu pomiarowego w Centrum Cyklotronowym Bronowice IFJ PAN w Krakowie. (Źródło: IFJ PAN)