Каждый химический элемент в таблице Менделеева определяется фиксированным количеством протонов, однако число нейтронов в ядре может варьироваться. Такие вариации создают семейства изотопов, которые при одинаковом заряде отличаются массой. Если баланс между частицами нарушается, ядро теряет стабильность и распадается, но при определенных сочетаниях протонов и нейтронов изотопы становятся удивительно устойчивыми. Физики называют их магическими ядрами и описывают с помощью оболочечной модели, где частицы занимают определенные энергетические уровни.
Эта модель долгое время успешно предсказывала магические комбинации, но не могла полностью отразить реальную физику процессов, особенно в части сильного ядерного взаимодействия, удерживающего протоны вместе. Как сообщается в журнале Physical Review Letters, научная группа из Университета Сунь Ятсена нашла решение этой давней теоретической проблемы. Специалисты смогли описать квантовую систему ядра через набор волновых функций, которые характеризуют возможные состояния системы и их вероятность.
Исследователи сосредоточили свое внимание на дважды магическом изотопе олова-132, в составе которого находятся 50 протонов и 82 нейтрона. Ученые проанализировали реальные данные с высоким энергетическим разрешением, а затем намеренно упростили картину до низкого разрешения. В процессе такого преобразования естественным образом проявилась структура энергетических уровней, полностью соответствующая теории оболочечного строения. Магические числа при этом остались неизменными, что подтвердило верность выбранного подхода.
Физики обнаружили в ядрах переход от спиновой к псевдоспиновой симметрии, который происходит по мере уменьшения разрешения и сопровождается появлением тех самых магических чисел. Ключевую роль в процессах расщепления играют силы взаимодействия между тремя нуклонами. Этот переход наблюдается в различных ядрах и при разных типах взаимодействий, что делает открытие универсальным для понимания внутриядерных процессов.
Полученные результаты впервые позволили преодолеть разрыв между двумя главными подходами в ядерной физике: моделями, основанными на экспериментах, и теоретическими методами, выводящими поведение частиц из фундаментальных сил. Теперь стало понятно, как происхождение магических ядер выводится напрямую из взаимодействия протонов и нейтронов. «Этот результат впервые позволил ученым преодолеть разрыв между двумя основными подходами в теории строения ядра», — отмечают важность работы эксперты.
Авторы исследования рассчитывают, что их методика поможет изучить пока еще малоисследованные области карты атомных ядер. Новый подход может пролить свет на загадочные свойства самых тяжелых и экзотических элементов, которые ранее не поддавались точному описанию. Понимание фундаментальных сил внутри ядра открывает перед наукой новые горизонты.
