Cząstki w atomie rządzą się nowymi regułami. Eksperyment rozbija dotychczasowe modele

Jak zachowują się protony i neutrony, gdy znajdą się na wyjątkowo małych odległościach? Przez lata fizycy zakładali, że najważniejsza jest gęstość jądra i stosunek liczby protonów do neutronów. Najnowsze wyniki eksperymentu z udziałem jąder wapnia i żelaza pokazują jednak coś zaskakującego: to nie masa, ani nawet bilans nukleonów decyduje o tworzeniu się par na krótkich dystansach. Kluczową rolę odgrywają konkretne orbitale kwantowe, na których przebywają cząstki.

Krótki dystans, wielka niewiadoma

→ Czytaj też: Humanoidalny robot asystuje przy operacji. Badanie na żywych tkankach ujawnia, co już potrafi

Jądro atomowe to ukierunkowany quantum chaos. Protony i neutrony — nazywane wspólnie nukleonami — są utrzymywane razem przez silne oddziaływanie jądrowe. Na bardzo małych odległościach, rzędu średnicy protonu, nukleony mogą na ułamki sekund tworzyć pary o wysokim pędzie. Są to tak zwane pary skorelowane krótkozasięgowo (SRC). Ich badanie to rzadka okazja, by zajrzeć w strukturę materii w ekstremalnych warunkach — tam, gdzie siły jądrowe działają najmocniej.

Dotychczas sądzono, że częstość tworzenia się takich par zależy głównie od tego, jak wiele nukleonów znajduje się w jądrze i jaki jest między nimi stosunek liczbowy. Badanie opublikowane w Nature całkowicie burzy ten obraz.

Trzy jądra, jedna zagadka

→ Czytaj też: Zarejestrowali, jak pęka dno oceanu. „Nie śniliśmy o takim wydarzeniu”

Zespół badawczy wykorzystał rozpraszanie wysokoenergetycznych elektronów na trzech izotopach: ⁴⁰Ca, ⁴⁸Ca oraz ⁵⁴Fe. Każde z tych jąder ma inną strukturę powłokową — czyli odmienny układ orbitali, na których rozmieszczone są protony i neutrony. ⁴⁰Ca i ⁴⁸Ca różnią się liczbą neutronów, ⁵⁴Fe ma zaś zarówno inną liczbę protonów, jak i neutronów.

Gdyby decydowała masa, najcięższe jądro (⁵⁴Fe) powinno wykazywać najwięcej par SRC. Gdyby decydował deficyt neutronów — wyniki dla ⁴⁸Ca i ⁵⁴Fe powinny być podobne. Nic z tych rzeczy. Okazało się, że skorelowanie krótkozasięgowe zależy przede wszystkim od tego, które konkretnie orbitale kwantowe są zajęte. Różnice między jądrami były znacznie większe, niż przewidują jakiekolwiek modele teoretyczne.

Nowe reguły selekcji

Wyniki sugerują, że natura stosuje o wiele ostrzejsze kryteria przy łączeniu nukleonów w pary na krótkich dystansach, niż dotąd przypuszczano. Badacze wskazują wprost o potrzebie wprowadzenia nowych reguł selekcji związanych z momentem pędu. To tak, jakby okazało się, że w tańcu na parkiecie liczy się nie tylko liczba tancerzy, ale przede wszystkim to, jakie figury potrafią wykonać i na jakich miejscach stoją.

„Uzyskane wyniki wskazują na głęboki związek między długozasięgową strukturą powłok jądrowych a oddziaływaniami krótkiego zasięgu” — podkreślają autorzy. Innymi słowy: to, co dzieje się na peryferiach jądra (na orbitalach), determinuje to, co dzieje się w jego najgęstszych, centralnych regionach.

Konsekwencje dla fizyki jądrowej i astrofizyki

Odkrycie niesie konsekwencje wykraczające poza czystą fizykę jądrową. Pary SRC odgrywają istotną rolę w procesach zachodzących w gwiazdach neutronowych oraz podczas wybuchów supernowych. Dokładne zrozumienie mechanizmów ich tworzenia się jest kluczowe dla modelowania ewolucji gwiazd i syntezy pierwiastków.

Co więcej, wyniki te rzucają wyzwanie istniejącym modelom sił jądrowych. Dotychczasowe symulacje nie są w stanie odtworzyć tak silnej zależności od struktury orbitalnej. Fizycy będą musieli zatem sięgnąć głębiej — może nawet odwołać się do kwantowej chromodynamiki, by opisać zjawiska na poziomie oddziaływań między kwarkami.

Zespół planuje już kolejne eksperymenty na innych jądrach, by sprawdzić, czy nowa reguła jest uniwersalna. Jedno jest pewne: atomowe jądro wciąż kryje tajemnice, które nie mieszczą się w podręcznikach.