До недавнего времени ученые считали, что только очень массивные ядра могут возбуждать нулевые спиновые состояния повышенной устойчивости со значительно деформированной формой. Между тем международная группа исследователей из Румынии, Франции, Италии, США и Польши в своей последней статье показала, что такие состояния существуют и в гораздо более легких ядрах никеля. Положительная верификация теоретической модели, использованной в этих экспериментах, позволяет описать свойства ядер, недоступных в земных лабораториях.

Более 99,9% массы атома приходится на атомное ядро, объем которого более чем в триллион раз меньше объема всего атома. Следовательно, атомное ядро имеет удивительную плотность около 150 миллионов тонн на кубический сантиметр. Это означает, что одна столовая ложка ядерного вещества весит почти столько же, сколько кубический километр воды. Несмотря на свои очень малые размеры и невероятную плотность, атомные ядра представляют собой сложные структуры, состоящие из протонов и нейтронов. Можно ожидать, что такие чрезвычайно плотные объекты всегда будут иметь сферическую форму. В действительности, однако, ситуация совершенно иная: большинство ядер деформированы—они имеют форму уплощенных или вытянутых вдоль одной или даже двух осей одновременно. Чтобы найти излюбленную форму данного ядра, принято строить ландшафт потенциальной энергии как функцию деформации. Такой ландшафт можно визуализировать, рисуя карту, на которой координаты плоскости являются параметрами деформации, то есть степенями удлинения или уплощения вдоль двух осей, а цвет указывает количество энергии, необходимое для приведения ядра к заданной форме. Такая карта является полной аналогией географической карте горной местности.

Если в ядерной реакции образуется ядро, то оно появляется в данной точке ландшафта—оно принимает специфическую деформацию. Затем он начинает скользить (изменение деформации) к самой низкой энергетической точке (стабильная деформация). В некоторых случаях, однако, прежде чем достичь основного состояния, он может быть остановлен на некоторое время в некотором локальном минимуме, ловушке, которая соответствует метастабильной деформации. Это очень похоже на воду, которая берет начало в определенном месте в горной местности и течет вниз. Прежде чем он достигнет самой низкой долины, он может быть пойман в ловушку в местных впадинах на некоторое время. Если поток соединит местную впадину с самой низкой точкой ландшафта, вода потечет вниз. Если впадина хорошо изолирована, вода будет оставаться там очень долго.

Эксперименты показали, что локальные минимумы в ландшафте ядерной деформации при нулевом спине существуют только в массивных ядрах с атомными номерами больше 89 (актиний) и общим числом протонов и нейтронов значительно выше 200. Такие ядра могут быть захвачены в этих вторичных минимумах при метастабильной деформации в течение периода, даже в десятки миллионов раз превышающего время, необходимое для достижения основного состояния без замедления ловушкой. Еще несколько лет назад возбужденное нулевое спиновое состояние, связанное с метастабильной деформацией, никогда не наблюдалось среди ядер более легких элементов. Ситуация изменилась несколько лет назад, когда в Никеле-66, ядре с 28 протонами и 38 нейтронами, было обнаружено состояние со значительной деформацией, характеризующееся повышенной стабильностью. Эта идентификация была стимулирована расчетами, выполненными с помощью сложной модели оболочки Монте-Карло, разработанной теоретиками Токийского университета, которая предсказала эту деформационную ловушку.

"Расчеты, проведенные нашими японскими коллегами, также дали еще один неожиданный результат", - говорит проф. Богдан Форнал (IFJ PAN). "Они показали, что глубокая локальная депрессия (ловушка), связанная со значительной деформацией, должна присутствовать также в потенциальном энергетическом ландшафте никеля-64, ядра с двумя нейтронами меньше, чем у никеля-66, которое до сих пор считалось имеющим только один главный минимум сферической формы. Проблема заключалась в том, что в Никеле-64 депрессия была предсказана при высокой энергии возбуждения—на большой высоте по аналогии с горной местностью—и было чрезвычайно трудно найти экспериментальный метод, чтобы поместить ядро в эту ловушку."

Был проведен Тур де форс с участием четырех дополнительных экспериментов, совместно проведенных совместно экспериментаторами из Румынии (IFIN-HH в Бухаресте), Франции (Institut Laue-Langevin, Гренобль), Италии (Миланский университет), США (Университет Северной Каролины и ТУНЛ) и Польши (IFJ PAN, Краков). Измерения проводились в четырех различных лабораториях Европы и США: Institut Laue-Langevin (Гренобль, Франция), iFin-HH Tandem Laboratory (Румыния), Argonne National Laboratory (Чикаго, США) и Triangle Universities Nuclear Laboratory (TUNL, Северная Каролина, США). Были использованы различные механизмы реакции, включая перенос протонов и нейтронов, захват тепловых нейтронов, кулоновское возбуждение и ядерно-резонансную флуоресценцию в сочетании с современными методами детектирования гамма-лучей.

Все вместе взятые данные позволили установить существование двух вторичных минимумов в ландшафте потенциальной энергии никеля-64, соответствующих сплюснутой (уплощенной) и вытянутой (вытянутой) эллипсоидальной формам, причем вытянутый является глубоким и хорошо изолированным, о чем свидетельствует значительно замедленный переход к основному сферическому минимуму.

"Увеличение времени, которое ядро проводит, находясь в вытянутом минимуме ядра Ni-64, не столь впечатляюще, как у тяжелых ядер, где оно достигает десятков миллионов раз. Мы зафиксировали увеличение всего в несколько десятков раз, но тот факт, что это увеличение близко к тому, которое обеспечивает новая теоретическая модель, является большим достижением", - констатирует проф. Форнал.

Особенно ценным результатом исследования является выявление ранее не учитывавшейся составляющей силы, действующей между нуклонами в сложных ядерных системах, так называемого тензорного монополя, который отвечает за многогранный ландшафт деформации в изотопах никеля. Ученые предполагают, что это взаимодействие в значительной степени ответственно за формирование структуры многих еще не открытых ядер.

В более широкой перспективе представленное исследование показывает, что применяемый здесь теоретический подход, способный адекватно предсказать уникальные характеристики ядер никеля, обладает большим потенциалом в описании свойств сотен ядерных систем, которые сегодня недоступны в лабораторных условиях на Земле, но постоянно производятся в звездах.

ИСТОЧНИК