Математический аналог микроскопа с переменным разрешением пролил свет на то, почему некоторые атомы обладают исключительной стабильностью — загадку, которая десятилетиями оставалась неразгаданной в ядерной физике.
Некоторые атомы кажутся особенно стабильными из-за количества протонов и нейтронов в них. Shutterstock/ktsdesign
Особый набор чисел на протяжении десятилетий составлял основу исследований в области ядерной физики, и теперь мы наконец знаем, как он возникает из квантового смешения ядерных частиц и сил.
Почти 80 лет назад физик Мария Гепперт Майер показала, что когда ядро атома содержит определенное количество протонов и нейтронов, например, 50 или 82, оно становится исключительно стабильным. За прошедшие годы исследователи накопили доказательства существования других подобных «магических чисел», которые встречаются в наиболее стабильных, а следовательно, и наиболее распространенных элементах нашей Вселенной.
Гепперт Майер и ее современники объяснили эти числа, предположив, что протоны и нейтроны занимают дискретные энергетические уровни, или оболочки. Эта модель, которая до сих пор используется для интерпретации многих экспериментов в ядерной физике, рассматривает каждую частицу в ядре как независимую, но наши лучшие квантовые теории утверждают, что частицы внутри ядер на самом деле сильно взаимодействуют.
Цзянмин Яо из Университета Сунь Ятсена в Китае и его коллеги разрешили это противоречие и в процессе разъяснили, как в результате этих взаимодействий возникают магические числа.
Яо говорит, что оболочечная модель основана на данных экспериментов и не описывает детальное взаимодействие между каждой частицей. Вместо этого он и его команда начали свои расчеты с фундаментальных принципов, то есть они математически описали, как частицы взаимодействуют друг с другом, как они слипаются и сколько энергии необходимо для их разделения, более подробно.
По словам Яо, эти два описания аналогичны изображениям, полученным с низким и высоким разрешением соответственно. «Раньше люди напрямую моделировали систему с низким разрешением или пытались понять структуру ядра с высоким разрешением. Мы использовали современные методы, чтобы построить мост между этими описаниями».
Он и его коллеги начали с описания высокого разрешения, постепенно размывая его на каждом этапе вычислений и отслеживая, как изменяется структура, образующаяся из частиц.
По мере продвижения по математическому мосту исследователи наблюдали изменение симметрии квантовых состояний частицы — построение графика на основе уравнений для этих состояний приводило к появлению форм с различной симметрией при разном разрешении. Это изменение приводило к образованию ядерной структуры, которая была наиболее стабильна, когда частицы группировались в магические числа.
Жан-Поль Эбран из Французской комиссии по альтернативным источникам энергии и атомной энергии говорит, что эта работа предлагает теоретическое исследование — своего рода математический микроскоп, — который отражает принцип работы экспериментов. «Природа выглядит по-разному в зависимости от разрешения наблюдения. Это [исследование] действительно соответствует тому, что мы делаем экспериментально».
Изменение симметрии, выявленное исследователями, связано с эффектами, описанными в теории относительности Альберта Эйнштейна, что позволяет еще полнее понять, как «магические числа» объединяют различные аспекты ядерной теории, говорит Эбран.
На данный момент исследователи проверили свои теоретические работы на одном типе олова, которое является вдвойне «магическим», поскольку каждое его ядро содержит 50 протонов и 82 нейтрона, а также на нескольких дополнительных ядрах. В дальнейшем они хотят расширить свой анализ на более тяжелые атомные ядра, которые обычно нестабильны, и изучить процессы образования тяжелых ядер во взрывающихся звездах или при слиянии нейтронных звезд, говорит Яо.
Журнал Physical Review Letters DOI: 10.1103/8lzc-j1lx
Источник: www.newscientist.com
