Когда ядра «худеют»: удивительный мир высокоспиновых изомеров

Представьте себе фигуриста, который вращается всё быстрее, прижимая руки к телу. Нечто похожее происходит и в микромире атомных ядер, только там вместо рук – протоны и нейтроны, а вместо льда – квантовые законы физики. Недавние эксперименты в ЦЕРН открыли удивительное явление: некоторые ядра атомов буквально «худеют», когда достигают максимального вращения.

Квантовые волчки в мире невидимого

Атомные ядра – это не просто скопление частиц. Они живут по законам квантовой механики, где каждый протон и нейтрон занимает строго определённые энергетические уровни, словно музыканты в оркестре – каждый играет свою партию. Иногда эти «музыканты» объединяются в особые конфигурации, создавая долгоживущие возбужденные состояния – изомеры.

Особый интерес представляют высокоспиновые изомеры – состояния, где несколько неспаренных нуклонов создают максимальное вращение ядра. Это как если бы в нашем квантовом оркестре вдруг заиграли все солисты одновременно, создав совершенно новое звучание.

Индий под микроскопом времени

Физики из международной коллаборации ISOLDE решили исследовать два изотопа индия – ¹²⁷In и ¹²⁹In. Эти ядра особенно интересны, поскольку находятся вблизи «дважды магического» ядра ¹³²Sn. В ядерной физике магические числа обозначают особо стабильные конфигурации, где все энергетические оболочки заполнены полностью – как законченная симфония Бетховена.

Для изучения этих неуловимых квантовых состояний учёные применили коллинеарную лазерную спектроскопию – метод, который позволяет «прослушать» атомы с помощью лазерного излучения. Это примерно как настройка радиоприёмника на определённую частоту, только вместо музыки мы слышим «голос» атомного ядра.

Формула сжатия

Ключевая формула эксперимента выглядит обманчиво просто:

δν = F·δ⟨r²⟩ + K_MS·(m_m - m_g)/m_g·m_m

Здесь δν – это измерение частотного сдвига, F и K_MS – константы, а δ⟨r²⟩ – именно то, что нас интересует: изменение квадрата зарядового радиуса ядра. Простыми словами, эта формула говорит нам, насколько ядро увеличилось или уменьшилось в размерах.

Удивительные результаты

Результаты оказались поразительными. В изомере ¹²⁹In учёные обнаружили значительное уменьшение размеров ядра – δ⟨r²⟩ составило около −0.051 фм². Для сравнения, фемтометр – это 10⁻¹⁵ метра, размер сопоставимый с протоном. Казалось бы, крошечная величина, но в масштабах ядерной физики это настоящий прорыв.

А вот его «родственник» ¹²⁷In показал гораздо меньшее сжатие – всего −0.013 фм². Почему такая разница?

Квантовая архитектура имеет значение

Ответ кроется в квантовой архитектуре этих ядер. В ¹²⁹In все неспаренные протоны и нейтроны выстраиваются в идеальном порядке, создавая максимально «выровненную» конфигурацию. Это как идеально синхронизированный балет – каждый танцор знает своё место и движется в такт с остальными.

В ¹²⁷In ситуация сложнее. Здесь присутствуют четыре «дырочных» нейтронных состояния, что создаёт более хаотичную картину. Представьте себе оркестр, где несколько музыкантов играют импровизацию – общая гармония нарушается.

Эта упорядоченность в ¹²⁹In приводит не только к сжатию ядра, но и к уменьшению его квадрупольного момента – характеристики, описывающей отклонение формы ядра от сферической. Квадрупольный момент ¹²⁹In составил около 768 миллибарн, тогда как у ¹²⁷In – около 1050 миллибарн.

Теория против реальности

Как часто бывает в науке, эксперимент опередил теорию. Физики применили три различных теоретических подхода для объяснения наблюдаемых явлений:

Метод VS-IMSRG прекрасно описывает энергии и магнитные моменты, но недооценивает квадрупольные характеристики. Это как точные часы, которые показывают правильное время, но не учитывают секунды.

Многочастичный метод MPMH также испытывает трудности с квадрупольными моментами, особенно при ограничениях на валентное пространство – область, где могут находиться внешние нуклоны.

Теория функционала плотности с функционалом Fy(IVP) оказалась наиболее успешной, правильно предсказав уменьшение размеров в ¹²⁹In. Однако даже она не идеальна – переоценивает изменения в ¹²⁷In.

Почему это важно?

Открытие сжимающихся ядер – это не просто любопытный факт из мира квантовой физики. Понимание того, как изменяются размеры и форма атомных ядер в различных состояниях, критически важно для развития ядерной астрофизики, создания новых материалов и даже медицинской диагностики.

Эти исследования также проливают свет на фундаментальные вопросы строения материи. Каждое новое измерение приближает нас к пониманию того, как из простых кирпичиков – протонов и нейтронов – строится невероятное разнообразие химических элементов, которые мы видим во Вселенной.

Взгляд в будущее

Результаты работы с индием открывают новые горизонты исследований. Учёные планируют аналогичные эксперименты с другими изотопами вблизи магических ядер – ⁵⁶Ni, ¹⁰⁰Sn и ²⁰⁸Pb. Каждое такое исследование – это новая страница в книге понимания квантового мира.

История науки знает немало примеров, когда кажущиеся незначительными открытия в фундаментальной физике приводили к революционным технологическим прорывам. Сегодняшние эксперименты с «худеющими» ядрами – это, возможно, завтрашние основы для технологий, которые мы пока не можем даже представить.

Вселенная продолжает удивлять нас своими тайнами, записанными на языке квантовой механики. И каждый новый эксперимент – это ещё одна расшифрованная строчка в этой великой книге природы.

До встречи в следующих путешествиях по удивительному миру физики!