Впервые ученые продемонстрировали, что формирование необычных ядер возможно путем непосредственного взаимодействия протонов и нейтронов.
Каждый химический элемент характеризуется постоянным количеством протонов в ядре атома, однако число нейтронов может варьироваться. Это приводит к формированию семейств изотопов – веществ с одинаковым зарядом, но отличающимися массовыми числами.
Когда баланс между количеством протонов и нейтронов нарушается, ядро становится нестабильным и способно к самопроизвольному распаду. Элементы с тяжелыми ядрами, как правило, обладают меньшим числом устойчивых изотопов.
Для определенных количеств протонов и нейтронов некоторые изотопы демонстрируют исключительную стабильность. Долгое время физикам не удавалось до конца понять причины этого явления. Такие « магические ядра» ученые нередко прибегают к оболочечной модели для описания структуры ядра. Согласно этой концепции, нуклоны – протоны и нейтроны – располагаются на дискретных энергетических уровнях. Переходы между этими уровнями связаны с поглощением или выделением энергии ядром.
Хотя оболочечная модель ядра и позволяет прогнозировать образование ядер с «магическим» числом нуклонов, она не в полной мере описывает физику настоящих атомных ядер. В частности, в ней невозможно напрямую учитывать сильное ядерное взаимодействие — ту силу, которая удерживает нуклоны вместе и обеспечивает возможность одновременного нахождения положительно заряженных протонов внутри ядра, не разлетаясь в разные стороны. Долгое время объяснить существование магических ядер при действии сильного взаимодействия было серьезной проблемой для физиков-теоретиков.
Научная группа, возглавляемая Чэньжуном Дином ( Chenrong Ding) группа исследователей из Университета Сунь Ятсена (Китай) разработала метод, позволяющий это осуществить. Физики представили квантовую систему атомного ядра посредством совокупности волновых функций, которые характеризуют потенциальные состояния системы и вероятность каждого из них. Прямое наблюдение энергетических уровней нуклонов в ядрах и их взаимосвязи для ученых невозможно. Однако, общая волновая функция, описывающая ядро, отражает их взаимодействие.
В ходе работы ученые обратили внимание на олово-132 — изотоп, обладающий двойной магией, поскольку он содержит 50 протонов и 82 нейтрона. Для анализа были использованы высокоточные данные об олове, после чего изображение было упрощено до более низкого разрешения, где ядро представляется волновой функцией. В результате этого преобразования естественным образом возникла ожидаемая в соответствии с теорией оболочечного строения ядра структура энергетических уровней. Магические числа протонов и нейтронов, как и предполагалось оболочечной моделью, не изменились. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Физики обнаружили в ядрах изменение симметрии от спиновой к псевдоспиновой, которое характеризуется снижением четкости и связано с возникновением магических чисел нуклонов. В процессе спин-орбитального расщепления ключевую роль играют силы трехнуклонного взаимодействия. Этот переход наблюдается исследователями в различных ядрах, при различных типах взаимодействия как в релятивистских, так и в нерелятивистских условиях
Полученные данные впервые предоставили ученым возможность сблизить два основных направления в теории строения ядра: модели, основанные на анализе ядерных реакций, и методы, выводимые из фундаментальных взаимодействий. Специалисты рассчитывают, что разработанный ими подход откроет новые возможности для физиков исследовать слабо изученные области карты ядер и в итоге прольет новый свет на все еще загадочные свойства самых тяжелых и экзотических ядер.