Чтобы узнать, как выглядят атомные ядра, физики разбили их вдребезги

Физики нашли способ визуализации формы и структуры атомных ядер. В его основе — регистрация столкновений частиц высокой энергии в релятивистском коллайдере тяжелых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории в штате Нью-Йорк. Методика описана в научной статье в Nature.

«В этом новом исследовании мы не только количественно определяем общую форму ядра — вытянутое ли оно, как футбольный мяч, или сплющенное, как мандарин, — но и тонкую триаксиальность, относительные различия между его тремя основными осями, которые характеризуют форму между «футбольным мячом» и «мандарином», — пояснил профессор Цзянъюн Цзя из Университета штата Нью-Йорк в Стони-Бруке.

Определение формы ядер помогает в решении широкого круга вопросов физики — от вероятности деления изотопов в ядерных реакциях до понимания механизмов образования тяжелых элементов в столкновениях нейтронных звезд. В конце концов, это просто интересно — потому что 99,9% видимой материи, из которой состоят все звезды и планеты, да и мы сами, находится в ядрах в центре атомов.

Десятилетиями ученые использовали для изучения формы ядер низкоэнергетические эксперименты. Например, возбуждали атомы и регистрировали фотоны, испускаемые ими при возврате в основное состояние.

«В экспериментах с низкой энергией это похоже на съемку с длительной выдержкой», — сравнил теоретик Чун Шен из Университета Уэйна в Детройте.

Такие методы недостаточно точны, потому что требуют длительной экспозиции, а тонкие изменения внутри ядер происходят стремительно. Кроме того, этот подход подразумевает электромагнитное взаимодействие, поэтому не позволяет «увидеть» незаряженные нейтроны.

Новая методика больше похожа на быструю покадровую съемку. Причем, поскольку ядра разрушаются при соударении, в каждом новом стоп-кадре — новый «герой».

В катастрофических столкновениях ядра распадаются на составляющие их блоки и расплавляются в кварк-глюонную плазму (КГП) — проще говоря, разлетаются вдребезги. Гигантские массивы данных о потоках КГП позволяют реконструировать трехмерные модели исходных ядер.

Технологию проверили на ядрах, форма которых хорошо известна по итогам исследований традиционными методами — золота (сферические) и урана (вытянутые, как мяч для американского футбола).

Данные о десяти с лишним миллионах столкновений ядер обсчитывали больше года на системе распределенных вычислений Open Science Grid, что потребовало свыше 20 миллионов часов процессорного времени. Форма ядер подтвердилась, а в случае с ураном — еще и была уточнена: неравномерность выявлена по всем трем осям.

Метод может быть полезен для определения форм других ядер — особенно тех, где эксперименты с низкими энергиями не дали внятных результатов. Еще одно применение — оценка изобарных ядер (с одинаковым общим числом протонов и нейтронов, но в разных пропорциях) — пригодится в поиске невидимого типа распада, известного как двойной бета-распад без нейтрино.