Тайна ядерных «магических чисел» наконец раскрыта

Особый набор чисел на протяжении десятилетий составлял основу исследований ядерной физики, и теперь мы наконец знаем, как он возникает из квантовой смеси 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 стабильный. За прошедшие годы исследователи накопили свидетельства существования большего количества таких «магических чисел», которые встречаются в наиболее стабильных и, следовательно, наиболее распространенных элементах в 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 ядерной физики, рассматривает каждую частицу в ядре как независимую, но наши лучшие квантовые теории утверждают, что частицы внутри ядра на самом деле сильно взаимодействовать.

Цзянмин Яо из Университета Сунь Ятсена в Китае и его коллеги разрешили это противоречие и попутно выяснили, как в результате этих взаимодействий возникают магические числа.

Яо говорит, что модель оболочки опирается на данные экспериментов и не кодирует детали взаимодействия между каждой частицей. Вместо этого он и его команда начали свои расчеты с основных принципов, то есть они более подробно математически описали, как частицы взаимодействуют друг с другом, как они слипаются и сколько энергии необходимо, чтобы раздвинуть их.

Эти два описания аналогичны изображениям, сделанным с низким и высоким разрешением соответственно, говорит Яо. “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 в высоком разрешении, постепенно делая его более размытым на каждом этапе расчета и отслеживали, как менялась структура, образуемая частицами.

Двигаясь по математическому мосту, исследователи увидели, как изменилась симметрия квантовых состояний частицы: построение графика на основе уравнений для этих состояний привело бы к созданию форм с разной симметрией при разном разрешении. Это изменение привело к тому, что структура ядра стала наиболее стабильной, когда частицы группировались по магическим числам.

Жан-Поль Эбран Во Французской комиссии по альтернативной энергетике и атомной энергии говорят, что эта работа предлагает теоретическое исследование – своего рода математический микроскоп – который отражает то, как работают эксперименты. «Природа выглядит по-разному в зависимости от разрешения, с которым вы наблюдаете. [study] действительно соответствует тому, что мы делаем экспериментально».

Изменение симметрии, выявленное исследователями, связано с эффектами, описанными теорией Альберта Эйнштейна. специальная теория относительноститаким образом, рисуя еще более полную картину того, как магические числа объединяют различные аспекты ядерной теории, говорит Эбран.

До сих пор исследователи проверяли свою теоретическую работу на олове, которое является вдвойне магическим, поскольку каждое из его ядер содержит 50 протонов и 82 нейтрона, а также на нескольких дополнительных ядрах. В дальнейшем они хотят распространить свой анализ на более тяжелые атомные ядракоторые обычно нестабильны, и изучают процессы, с помощью которых создаются тяжелые ядра при взрыве звезд или слиянии нейтронных звезд, говорит Яо.