Почему у атомного ядра две формы? Открытие, которое заставило физиков пересмотреть законы материи
В нашем представлении атомное ядро — это нечто невообразимо крошечное, плотное и, как правило, идеально круглое. Этакий микроскопический мраморный шарик, состоящий из протонов и нейтронов, скреплённых самыми мощными силами во Вселенной. Но что, если мы скажем, что этот «шарик» может в одно мгновение и почти без всяких усилий превратиться, скажем, в мяч для регби? А потом снова стать шариком?
Именно такое удивительное поведение — своего рода квантовую неопределённость формы — обнаружила команда учёных из Центра изучения редких изотопов (FRIB) при Мичиганском государственном университете. Их открытие, касающееся экзотического изотопа кобальта-70, заставляет нас по-новому взглянуть на то, насколько причудливой и динамичной может быть материя на субатомном уровне.
Почему это так удивительно? Магия стабильности
Чтобы понять всю соль открытия, нужно сделать шаг назад. В ядерной физике есть понятие «магических чисел». Это определённое количество протонов или нейтронов (2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126), которое придаёт ядру особую стабильность. Подобно тому, как инертные газы с их заполненными электронными оболочками не вступают в химические реакции, ядра с магическим числом частиц оказываются исключительно устойчивыми. Как правило, такие «магические» ядра имеют идеальную сферическую форму — самую энергетически выгодную конфигурацию.
Однако мир ядер не так прост. Существует явление, известное как «сосуществование форм»: одно и то же ядро может существовать в двух разных конфигурациях, например, сферической и вытянутой (деформированной). Представьте, что у вас есть кусок глины. Чтобы превратить шар в овал, нужно приложить усилие. В мире ядер это «усилие» — это энергия. Обычно разница в энергии между двумя формами довольно ощутима.
Но в случае с кобальтом-70 исследователи столкнулись с поразительным фактом: сферическая и деформированная формы этого ядра существуют при почти идентичных уровнях энергии. Разница оказалась одной из самых малых, когда-либо зафиксированных для такого явления. Это похоже на переключатель, который можно щёлкнуть практически без затрат. Ядро словно не может решить, кем ему быть — идеальным шаром или вытянутой дыней, и легко колеблется между этими состояниями.
Как «шпионить» за ядром: искусство видеть всё сразу
Изучение таких короткоживущих экзотических ядер — задача не из лёгких. Кобальт-70 существует лишь доли секунды, прежде чем распасться в более стабильный изотоп никеля-70. Чтобы заглянуть внутрь этого процесса, команда использовала уникальную методику — спектроскопию полного поглощения (TAS).
В чём её суть? При распаде ядро испускает каскад гамма-квантов — порций высокоэнергетического излучения. Большинство детекторов работают как снайперы: они пытаются точно измерить энергию каждого отдельного кванта. Это даёт много деталей, но можно легко упустить общую картину, не поняв, с какого именно энергетического «этажа» начался весь этот каскад.
Метод TAS, реализованный на установке SuN (Summing NaI Detector), работает иначе. Он похож не на снайпера, а на огромную ловушку. Его цель — поймать все гамма-кванты, испущенные при одном акте распада, и просуммировать их энергию. Это позволяет с высокой точностью определить, с какой именно начальной энергии стартовал распад. А это, в свою очередь, ключ к пониманию структуры ядра.
«Если я захвачу все гамма-лучи, я смогу точно сказать, откуда они стартовали», — объясняет руководитель проекта Артемис Спайру. Именно этот всеохватывающий подход и позволил увидеть, что в распаде кобальта-70 участвуют состояния с разными формами, но почти одинаковой энергией.
Интересно, что это открытие было сделано почти случайно. Как признался ведущий автор статьи Кейд Дембски, изначально проект был нацелен на решение задач астрофизики. Но наблюдаемые закономерности никак не укладывались в существующие модели, пока учёные не поняли, что наткнулись на фундаментальный эффект ядерной структуры. Это прекрасный пример того, как наука работает на практике: идёшь за одним, а находишь нечто совершенно иное и не менее важное.
Что дальше? Проверка карт неизведанного мира
Открытие «ядра-хамелеона» — это не просто ещё один любопытный факт для учебников. Это серьёзная проверка для наших теоретических моделей, описывающих мир атомных ядер. Эти модели — как карты неизведанных земель. И когда вы находите на местности то, чего нет на карте (или что выглядит совсем не так, как нарисовано), вам приходится карту исправлять.
Кобальт-70 находится на границе «карты стабильности», в области экзотических, перегруженных нейтронами ядер. Понимание их поведения критически важно, поскольку именно в таких экстремальных условиях рождаются тяжёлые элементы во Вселенной, например, при слиянии нейтронных звёзд.
Результаты, полученные командой FRIB, дают теоретикам бесценный материал для уточнения моделей. Почему именно в этом ядре энергетическая «стоимость» смены формы оказалась такой ничтожной? Какие именно тонкие взаимодействия между протонами и нейтронами приводят к такому эффекту? Ответы на эти вопросы помогут нам лучше понять фундаментальные законы, управляющие материей.
В конечном счёте, каждое такое открытие напоминает нам, что субатомный мир полон сюрпризов. Он гораздо сложнее, динамичнее и элегантнее, чем мы можем себе представить. И где-то там, в недрах экзотических изотопов, скрыты ключи к разгадке самых больших тайн Вселенной.