Многие считают Большой адронный коллайдер прибором, предназначенным для изучения ранних этапов существования Вселенной и поиска необычных частиц. Однако ускоритель, находящийся на этапе модернизации, продолжает предоставлять новые сведения даже о достаточно хорошо изученных объектах, таких как ядро атома кислорода. Сотрудники Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) обнаружили, что поведение ядра атома кислорода и ядра атома неона отклоняется от прогнозов, основанных на существующих теоретических моделях.

Первоначально ученые представляли атом как подобие пирога с изюмом. В дальнейшем физики предложили планетарную модель: ядро в центре атома и электроны, вращающиеся вокруг него по определенным орбитам. Однако в ходе экспериментов стало ясно, что электроны не соответствуют планетной модели; их более корректно представлять в виде облаков вероятностей, окружающих округлое ядро.

Но развитие методов анализа в ядерной физике демонстрирует, что и наше представление о форме атомного ядра требует доработки. Эксперименты, проводимые на Большом адронном коллайдере (БАК), указывают на то, что реальные ядра не всегда имеют сферическую форму.

Анализ результатов столкновений позволяет получить информацию о форме ядра атома опосредованно. В процессе взаимодействия ядер возникает кварк-глюонная плазма – уникальное состояние материи, характеризующееся крайне быстрым распадом. Частицы, составляющие эту плазму, демонстрируют свойства, напоминающие поведение жидкости. Исследователи анализируют направления движения частиц, чтобы определить геометрию столкновения и выяснить, насколько частицы сместились относительно друг друга в момент взаимодействия.

«Эксперименты с применением идентичных легких ионов дают возможность контролировать начальную геометрию столкновения. Установлено, что она напрямую зависит от пространственного расположения нуклонов внутри ядра. В случае протон-ядерных столкновений«При анализе данных необходимо учитывать партонную структуру протона (кварки и глюоны, составляющие его), которая подвержена значительным изменениям в зависимости от конкретного события. Поэтому столкновения легких ионов, протекающие симметрично, идеально подходят для изучения коллективного поведения в небольших системах», — отмечают авторы научной работы.

В результате анализа новых физических данных, полученных из ЦЭРН, было установлено, что поведение ядер неона и кислорода отклоняется от прогнозов, основанных на существующих моделях. продолжаетв предыдущих работах были представлены результаты исследований строения ядер кислорода и неона. Эти данные опубликованы в статье, размещенной в журнале Physical Review Letters.

Изотопы кислорода-16 и неон-20, обладающие сопоставимой массой, должны были демонстрировать схожие гидродинамические характеристики. Следовательно, различия в поведении потоков при столкновениях ионов кислорода с кислородом и неона с неоном должны быть обусловлены вариациями геометрии этих столкновений, что, в свою очередь, указывает на различие в структуре ядер.

Ранее выполненные расчеты структуры атомного ядра указывали на то, что ядро кислорода-16 имеет форму тетраэдра, а ядро неона-20 – структуру, схожую с кеглей для боулинга.

Исследователи обработали данные с детектора CMSИсследования проводились при общей энергии 5,36 тераэлектронвольт на пару нуклонов. Полученные результаты были сопоставлены с результатами гидродинамических симуляций, которые базировались на современных представлениях о структуре атомных ядер.

В ходе экспериментов физики зафиксировали выраженные эллиптические и треугольные потоки для обоих типов столкновений. Форма этих потоков оказалась тесно связана с тем, насколько близко к центру ядер происходили столкновения разогнанных ионов. Это наблюдение соответствует ожидаемому поведению жидкости в зависимости от геометрии взаимодействия.

Согласно результатам исследования, авторы зафиксировали более интенсивный сигнал эллиптического потока от неона в большинстве случаев столкновений по сравнению с кислородом. Данное наблюдение представляется логичным, если предположить, что ядро неона обладает менее округлой формой.

Тем не менее, наблюдаемый треугольный поток в ходе экспериментов не соответствовал результатам расчетов. Это может указывать на то, что реальная форма ядра отличается от ожидаемой учеными.

Специалисты в области физики отмечают, что имеющихся данных недостаточно для определения точной формы ядра неона, хотя анализ распределения частиц и предоставляет определенные возможности. говоритьИсследования ядерной структуры сталкивающихся частиц. Дальнейшее развитие теоретической базы, позволяющей моделировать процессы в ускорителях, потенциально способно прояснить причины специфического поведения треугольных потоков. Следует отметить, что ни одна из применяемых учеными моделей не обеспечила достаточной точности при интерпретации результатов экспериментов.