Магические ядра впервые выведены из взаимодействий протонов и нейтронов

Происхождение магических ядер прямо коррелируется с взаимодействиями протонов и нейтронов, показало новое исследование. Каждый элемент определяет фиксированное число протонов, а вот число нейтронов в ядре может изменяться. Различные сочетания формируют изотопы, обладающие разными массовыми числами при одинаковом заряде. Сильный дисбаланс нарушает ядерную стабильность, и ядро распадается. Как правило, у тяжёлых элементов меньше стабильных изотопов.

Некоторые изотопы демонстрируют необычную стабильность при определённых числах протонов и нейтронов. Такие «магические ядра» долго объяснялись через оболочечную модель, в которой нуклоны находятся на дискретных энергетических уровнях, а переходы меж ними сопряжены с поглощением либо испусканием энергии. Модель способна предсказывать магические комбинации нуклонов, но не может учитывать в явной форме сильное ядерное взаимодействие, то есть, фактор силы, удерживающей протоны вместе в ядре. Объяснение магических ядер с учётом данной силы долго считалось крайне сложной задачей.

Команда из Университета Сунь Ятсена использовала другой подход. Физикам удалось описать квантовую систему ядра посредством набора волновых функций, которые отражают вероятность всех вероятных состояний. Напрямую отслеживать энергетические уровни нуклонов невозможно, но волновая функция передаёт коллективное поведение ядра.

Физики сосредоточили внимание на олове-132, это дважды магический изотоп с 50 протонами и 82 нейтронами. Они использовали высокоразрешённые данные, чтобы «размыть» картину до низкого разрешения, где ядро описывается волновой функцией. Так естественным образом смогла проявиться оболочечная структура энергетических уровней, а магические числа протонов и нейтронов сохранились, как и предсказано теорией. Итоги исследования опубликовали в Physical Review Letters.

Физиками был зафиксирован переход от спиновой к псевдоспиновой симметрии при снижении разрешения, он сопровождался проявлением магических чисел. Базовая роль в спин-орбитальном расщеплении принадлежит силам трёхнуклонного взаимодействия. Переход наблюдали в разных ядрах и релятивистской, и нерелятивистской парадигм.

Полученный результат впервые смог объединить два подхода в теории строения ядра: модели, что описывают поведение ядер из экспериментов, и методы «с первых принципов», которые выводят поведение из фундаментальных сил. Эксперты полагают, что методика поможет глубже понять малоизученные области карты ядер и характеристики тяжёлых и экзотических изотопов.