Большой адронный коллайдер обнаружил атомное ядро, имеющее форму кегли 

Фото из открытых источников

Каждый атом материи во Вселенной построен вокруг ядра. Это плотно упакованный пучок протонов и нейтронов, составляющий атомное ядро, определяющий его элементарный состав и содержащий большую часть его массы.

В учебниках это скопление частиц часто изображают в виде сферической «малины», вокруг которой электроны вращаются по ряду орбит, — но это не всегда самая точная картина.

Теперь же в Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе физики обнаружили свидетельства одной из таких форм: ядро, имеющее структуру кегли, скрывающееся внутри каждого атома неона. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Это не просто курьез. Понимание этой формы имеет значение для ядерной физики, а также для понимания странного коллективного поведения материи, образующейся при столкновении атомных ядер при огромных энергиях.

Не все ядра одинаковы. Некоторые могут иметь форму, отклоняющуюся от сферы; например, радий-224 имеет явно асимметричное грушевидное атомное ядро. Понимание этих форм может помочь физикам предсказать, как ядра могут вести себя в экстремальных условиях.

Но увидеть эти формы на самом деле не так-то просто, и не только потому, что атомные ядра очень малы.

При обычных измерениях ядро не находится в неподвижном состоянии. Его квантовое состояние фактически усредняется по всем возможным ориентациям, поэтому несферическое ядро с нулевым угловым моментом будет казаться сферическим при наблюдении в лабораторных условиях.

Вот где пригодится ускоритель частиц. Когда атомные ядра сталкиваются, их внутренняя, лежащая в основе структура может влиять на поток материи, образующейся в результате столкновения.

Представьте, что вы поместили два объекта разной формы в поток воды, скрыв их от посторонних глаз. Изучая, как вода обтекает каждый объект ниже по течению, вы могли бы, двигаясь в обратном направлении, узнать что-то о форме объекта, который его потревожил.

Здесь принцип аналогичен, хотя вместо того, чтобы нарушать существующий поток, ядерное столкновение создает само текущее вещество.

В рамках своего эксперимента коллаборация CMS сравнила столкновения двух разных атомных ядер – кислорода-16 и неона-20.

Они не сталкивали кислород и неон, а изучали результаты различных запусков коллайдера, включающих столкновения кислорода с кислородом и столкновения неона с неоном.

Причина этого в том, что кислород-16 и неон-20 являются полезными партнерами для сравнения. Эти два ядра имеют относительно близкую массу, но, вероятно, обладают очень разными внутренними структурами.

Расчеты предсказывают (и несколько предыдущих работ подтвердили это), что кислород-16 имеет тетраэдрическую ядерную структуру, в то время как предсказанная структура неона больше похожа на кеглю для боулинга.

Исследователи сравнили, как частицы вытекали из мест столкновения каждого типа, ища закономерности в потоке, которые могли бы выявить исходную геометрию участвующих ядер.

Они пытались выяснить, имеют ли частицы большую вероятность появляться в определенных направлениях – по схемам, известным как эллиптическое и треугольное течение. Если бы лежащие в основе ядерные структуры действительно были разными, то в обоих этих типах течения были бы заметны тонкие различия.

В частности, разница в структуре должна проявляться в относительной силе эллиптического потока, особенно при наиболее лобовых столкновениях.

Вот что обнаружили исследователи – с одной оговоркой. Необходимы дальнейшие исследования, поскольку измеренные изменения треугольного потока количественно не совпали с предсказаниями модели.

Тем не менее, это всё ещё очень интересный результат, поскольку он показывает, что коллективный поток в этих столкновениях действительно чувствителен к геометрии ядра. У нас, может быть, и нет фотографии крошечной кегли, но доказательства всё же согласуются с ядерной деформацией.

Это означает, что такой незначительный фактор, как пространственное расположение протонов и нейтронов в атомном ядре, может оставлять обнаруживаемый след в распыленных частицах, которые образуются при столкновении ядер.

Таким образом, полученные результаты позволяют предположить, что ускорители частиц могут предоставить физикам новый способ исследования структуры атомных ядер — путем их столкновения и считывания их формы в выброшенном веществе, подобно лабораторным халатам.

«Эти результаты подтверждают чувствительность коллективного потока при столкновениях легких ионов как к исходной геометрии, так и к гидродинамическому отклику среды», — пишут исследователи. «Они накладывают строгие ограничения на модели коллективности малых систем и имеют ценные последствия для исследований структуры ядер».