В центре каждого атома находится ядро — плотное скопление протонов и нейтронов, которое определяет химический элемент и содержит почти всю его массу.
На привычных схемах ядро обычно изображают почти круглым. Но в реальности его форма может быть гораздо сложнее.
Теперь физики, работающие на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН, получили свидетельства того, что ядро неона-20 имеет вытянутую и асимметричную форму, напоминающую кеглю для боулинга.
Это не просто необычная геометрическая деталь. Форма ядра влияет на то, что происходит при столкновениях атомных ядер на огромных энергиях, а значит, может помочь лучше понять поведение ядерной материи в экстремальных условиях.
Ученым уже известно, что ядра далеко не всегда сферические. Например, ядро радия-224 имеет выраженную грушевидную форму. Однако напрямую определить форму ядра непросто.
Причина связана с квантовой механикой. В обычном эксперименте ядро не остается неподвижно ориентированным в пространстве. Его состояние фактически усредняется по различным направлениям, поэтому даже деформированное ядро может выглядеть сферическим.
Но при столкновении двух ядер их внутренняя геометрия оставляет след в движении образовавшихся частиц.
Принцип можно представить так: если поместить в поток воды два скрытых предмета разной формы, характер движения воды за ними позволит сделать вывод о форме этих предметов. В столкновении ядер происходит нечто похожее, только сам поток материи возникает непосредственно в момент удара.
Участники эксперимента CMS сравнили столкновения ядер кислорода-16 и неона-20. Отдельно анализировались столкновения кислорода с кислородом и неона с неоном.
Эти ядра удобны для сравнения, поскольку они относительно близки по массе, но, согласно расчетам, существенно отличаются по внутренней структуре.
Предполагается, что ядро кислорода-16 имеет структуру, напоминающую тетраэдр. Для неона-20 расчеты предсказывают гораздо более вытянутую форму, похожую на кеглю.
Физики изучили, в каких направлениях разлетаются частицы после столкновений. Если исходные ядра имеют разную форму, это должно проявляться в характере движения образовавшейся материи.
Особое внимание исследователи уделили так называемому эллиптическому и треугольному потокам — различиям в вероятности вылета частиц в определенных направлениях.
Наиболее заметный эффект от разницы в форме ядер ожидался при почти лобовых столкновениях. Именно там исследователи и обнаружили различия, согласующиеся с деформированной формой ядра неона.
Однако результат пока нельзя считать окончательным подтверждением всех деталей модели. Изменения треугольного потока количественно не полностью совпали с теоретическими предсказаниями, поэтому потребуются дополнительные исследования.
Тем не менее эксперимент показал важную вещь: коллективное движение частиц после столкновения действительно чувствительно к геометрии исходных атомных ядер.
Иными словами, расположение протонов и нейтронов внутри крошечного ядра способно оставить измеримый след в облаке частиц, возникающем после столкновения.
Это открывает физикам необычный способ изучать строение атомных ядер. Вместо попытки напрямую «увидеть» их форму можно сталкивать ядра на огромных энергиях и восстанавливать их геометрию по тому, как после удара движутся образовавшиеся частицы.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
