Чини се да су неки атоми посебно стабилни због свог броја протона и неутрона
Схуттерстоцк/ктсдесигн
Посебан скуп бројева је деценијама чинио окосницу истраживања нуклеарне физике, а сада коначно знамо како настаје из квантне мешавине нуклеарних честица и сила.
Пре скоро 80 година, физичарка Марија Геперт Мајер показала је да када језгро атома садржи одређени број протона и неутрона, као што је 50 или 82, оно постаје изузетно стабилно. У годинама након тога, истраживачи су прикупили доказе о више таквих „магичних бројева“, који се налазе у најстабилнијим, а самим тим и најзаступљенијим елементима у нашем универзуму.
Гоепперт Маиер и њени савременици објаснили су ове бројке предлажући да протони и неутрони заузимају дискретне енергетске нивое, или шкољке. Овај модел, који се још увек користи за тумачење многих експеримената нуклеарне физике, третира сваку честицу у језгру као независну, али наше најбоље квантне теорије тврде да честице унутар језгара заправо снажно интерагују.
Јиангминг Иао на Универзитету Сун Јат-сен у Кини и његове колеге су сада решили ову контрадикцију и, у том процесу, разјаснили како из ових интеракција настају магични бројеви.
Јао каже да се модел љуске ослања на инпут из експеримената и не кодира детаље интеракција између сваке честице. Уместо тога, он и његов тим су започели своје прорачуне од првих принципа, што значи да су математички описали како честице међусобно делују, како се држе заједно и колико је енергије потребно да би се раздвојиле детаљније.
Ова два описа су аналогна сликама снимљеним у ниској и високој резолуцији, каже Јао. „Раније су људи директно моделирали систем у ниској резолуцији или су покушавали да разумеју нуклеарну структуру у високој резолуцији. Користили смо модерне методе да бисмо изградили мост између ових описа.“
Он и његове колеге су започели са описом високе резолуције, постепено га чинили мутнијим у сваком кораку прорачуна и пратили како се структура формираних честица мења.
Док су се кретали преко свог математичког моста, истраживачи су видели да се симетрија квантних стања честице мења – цртање графика заснованог на једначинама за ова стања би произвело облике са различитим симетријама у различитим резолуцијама. Ова промена је резултирала нуклеарном структуром која је била најстабилнија када су се честице груписале у магичне бројеве.
Жан-Пол Ебран у француској комисији за алтернативну енергију и атомску енергију каже да овај рад нуди теоријску сонду – својеврсни математички микроскоп – који одражава начин на који експерименти раде. „Природа изгледа другачије у зависности од резолуције на којој посматрате. Ова (студија) заиста пресликава оно што радимо експериментално.“
Промена у симетрији коју су истраживачи идентификовали повезана је са ефектима описаним у теорији специјалне релативности Алберта Ајнштајна, чиме се ствара још потпунија слика о томе како магични бројеви спајају различите аспекте нуклеарне теорије, каже Ебран.
До сада су истраживачи тестирали свој теоријски рад на типу калаја који је двоструко магичан јер свако његово језгро садржи по 50 протона и 82 неутрона, као и на неколико додатних језгара. У будућности, они желе да прошире своју анализу на тежа атомска језгра, која су обично нестабилна, и проучавају процесе помоћу којих се тешка језгра стварају у звездама које експлодирају или спајају неутронске звезде, каже Јао.
Теме:
