Kortet over nuklear deformation tager form af et bjerglandskab

Indtil for nylig, videnskabsmænd troede, at kun meget massive kerner kunne have exciteret nul-spin-tilstande med øget stabilitet med en betydeligt deformeret form. I mellemtiden et internationalt hold af forskere fra Rumænien, Frankrig, Italien, USA og Polen viste i deres seneste artikel, at sådanne stater også findes i meget lettere nikkelkerner. Positiv verifikation af den teoretiske model brugt i disse eksperimenter gør det muligt at beskrive egenskaberne af kerner, der ikke er tilgængelige i jordlaboratorier.

Mere end 99,9 procent af et atoms masse kommer fra atomkernen, hvis volumen er over en billion gange mindre end volumen af ​​hele atomet. Derfor, atomkernen har en fantastisk tæthed på omkring 150 millioner tons pr. kubikcentimeter. Det betyder, at en spiseskefuld nukleart stof vejer næsten lige så meget som en kubikkilometer vand. På trods af deres meget lille størrelse og utrolige tæthed, Atomkerner er komplekse strukturer lavet af protoner og neutroner. Man kan forvente, at sådanne ekstremt tætte genstande altid ville antage sfærisk form. I virkeligheden, imidlertid, situationen er helt anderledes:de fleste kerner er deformerede - de udviser form fladtrykt eller langstrakt langs en eller endda to akser, samtidigt. For at finde yndlingsformen for en given kerne, det er sædvanligt at konstruere et landskab af den potentielle energi som funktion af deformation. Man kan visualisere et sådant landskab ved at tegne et kort, hvorpå plankoordinaterne er deformationsparametrene, dvs. grader af forlængelse eller udfladning langs de to akser, mens farven angiver mængden af ​​energi, der skal til for at bringe kernen til en given form. Et sådant kort er en fuld analogi med et geografisk kort over bjergterræn.

Hvis der dannes en kerne i kernereaktionen, det vises på et givet sted i landskabet - det kræver specifik deformation. Det begynder så at glide (ændre deformation) mod det laveste energipunkt (stabil deformation). I nogle tilfælde, imidlertid, før de når grundtilstanden, det kan blive stoppet i et stykke tid i et lokalt minimum, en fælde, hvilket svarer til metastabil deformation. Dette minder meget om vand, der udspringer et bestemt sted i bjergområdet og strømmer nedad. Før den når den laveste dal, det kan være fanget i lokale depressioner i nogen tid. Hvis et vandløb forbinder den lokale lavning med det laveste punkt i landskabet, vand vil strømme ned. Hvis depressionen er godt isoleret, vandet vil blive der i meget lang tid.

Eksperimenter har vist, at lokale minima i det nukleare deformationslandskab ved spin nul kun eksisterer i massive kerner med atomnumre større end 89 (aktinium) og et samlet antal protoner og neutroner langt over 200. Sådanne kerner kan fanges i disse sekundære minima ved metastabil deformation i en periode endda titusinder af gange længere end den tid, der er nødvendig for at nå grundtilstanden uden at blive bremset af fælden. Indtil for få år siden, en exciteret nul-spin-tilstand forbundet med metastabil deformation var aldrig blevet observeret blandt kerner af lettere grundstoffer. Situationen ændrede sig for nogle år siden, da en tilstand med betydelig deformation præget af øget stabilitet blev fundet i nikkel-66, kernen med 28 protoner og 38 neutroner. Denne identifikation blev stimuleret af beregninger udført med den sofistikerede Monte Carlo-skalmodel udviklet af Tokyo University teoretikere, som forudsagde denne deformationsfælde.

"Beregningerne udført af vores japanske kolleger gav også et andet uventet resultat, " siger prof. Bogdan Fornal (IFJ PAN). "De viste, at en dyb, lokal depression (fælde) forbundet med betydelig deformation bør også være til stede i det potentielle energilandskab for nikkel-64, kernen med to neutroner mindre end nikkel-66, som indtil nu kun blev anset for at have ét hovedminimum med en kugleformet form. Problemet var, at i nikkel-64 blev depressionen forudsagt ved høj excitationsenergi - i stor højde i bjergterrænanalogien - og det var ekstremt vanskeligt at finde en eksperimentel metode til at placere kernen i denne fælde."

En tour de force fandt sted, der involverede fire komplementære eksperimenter, i fællesskab udført af et samarbejde ledet af eksperimentelister fra Rumænien (IFIN-HH i Bukarest), Frankrig (Institut Laue-Langevin, Grenoble), Italien (Milan Universitet), USA (University of North Carolina og TUNL) og Polen (IFJ PAN, Krakow). Målinger blev udført på fire forskellige laboratorier i Europa og USA:Institut Laue-Langevin (Grenoble, Frankrig), IFIN-HH Tandem Laboratory (Rumænien), Argonne National Laboratory (Chicago, USA) og Triangle Universities Nuclear Laboratory (TUNL, North Carolina, USA). Forskellige reaktionsmekanismer blev anvendt, herunder proton- og neutronoverførsel, termisk neutronopfangning, Coulomb excitation og nuklear-resonans fluorescens, i kombination med state-of-the-art gammastråledetektionsteknikker.

Alle data tilsammen gjorde det muligt at fastslå eksistensen af ​​to sekundære minima i det potentielle energilandskab af nikkel-64, svarende til oblate (affladede) og prolate (aflange) ellipsoide former, hvor prolaten er dyb og godt isoleret, som indikeret af den betydeligt retarderede overgang til det primære sfæriske minimum.

"Forlængelsen af ​​tid, som kernen bruger, når den er fanget i det prolaterede minimum af Ni-64-kernen, er ikke så spektakulær som den for de tunge kerner, hvor det når titusinder af gange. Vi registrerede en stigning på kun et par tiere gange; men det faktum, at denne stigning er tæt på den, den nye teoretiske model giver, er en stor præstation, " fastslår prof. Fornal.

Et særligt værdifuldt resultat af undersøgelsen er at identificere en tidligere uovervejet komponent af kraften, der virker mellem nukleoner i komplekse kernesystemer, den såkaldte tensor monopol, som er ansvarlig for det mangefacetterede landskab af deformation i nikkelisotoperne. Forskere forventer, at denne interaktion i vid udstrækning er ansvarlig for at forme strukturen af ​​mange kerner, der endnu ikke er blevet opdaget.

I et bredere perspektiv, den præsenterede undersøgelse indikerer, at den teoretiske tilgang, der er anvendt her, være i stand til tilstrækkeligt at forudsige de unikke egenskaber ved nikkelkernerne, har et stort potentiale i at beskrive egenskaberne ved hundredvis af nukleare systemer, som ikke er tilgængelige i laboratoriet på Jorden i dag, men konstant produceret i stjerner.