Учёные впервые вывели магические ядра из взаимодействий протонов и нейтронов

Исследователи показали, как происхождение магических ядер напрямую связано с взаимодействиями протонов и нейтронов. Каждый элемент определяется фиксированным числом протонов, а количество нейтронов в ядре может меняться. Разные сочетания образуют изотопы — одинаковый заряд и разные массовые числа. При сильном дисбалансе ядерная стабильность нарушается, и ядро распадается. Тяжёлые элементы обычно имеют меньше стабильных изотопов.

Некоторые изотопы оказываются необычайно стабильными при определённых числах протонов и нейтронов. Эти «магические ядра» долго объясняли через оболочечную модель, где нуклоны занимают дискретные энергетические уровни, а переходы между ними сопровождаются поглощением или испусканием энергии. Модель предсказывает магические комбинации нуклонов, но не учитывает в явной форме сильное ядерное взаимодействие — силу, которая удерживает протоны вместе в ядре. Долгое время объяснение магических ядер с учётом этой силы оставалось сложной задачей.

Команда Чэньжуна Дина (Chenrong Ding) из Университета Сунь Ятсена применила другой подход. Физики описали квантовую систему ядра через набор волновых функций, отражающих вероятности всех возможных состояний. Напрямую наблюдать энергетические уровни нуклонов невозможно, но волновая функция передаёт коллективное поведение ядра.

Учёные сосредоточились на олове-132 — дважды магическом изотопе с 50 протонами и 82 нейтронами. Используя высокоразрешённые данные, они «размыли» картину до низкого разрешения, где ядро описывается волновой функцией. При этом естественным образом проявилась оболочечная структура энергетических уровней, а магические числа протонов и нейтронов сохранились, как предсказывает теория. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Физики зафиксировали переход от спиновой к псевдоспиновой симметрии при уменьшении разрешения, сопровождающийся появлением магических чисел. Главную роль в спин-орбитальном расщеплении играют силы трёхнуклонного взаимодействия. Переход наблюдается в разных ядрах и в релятивистской, и в нерелятивистской парадигмах.

Этот результат впервые объединил два подхода в теории строения ядра: модели, описывающие поведение ядер из экспериментов, и методы «с первых принципов», выводящие поведение из фундаментальных сил. Учёные надеются, что метод позволит исследовать малоизученные области карты ядер и пролить свет на свойства тяжёлых и экзотических изотопов.

Читайте также: