Кожен атом матерії у Всесвіті побудований навколо ядра. Це щільно упаковане скупчення протонів і нейтронів, яке складає атомне ядро, визначає його елементарну ідентичність і містить більшість його маси.
Підручники часто зображують це скупчення частинок у вигляді сферичної малини, навколо якої обертаються електрони. Але це не завжди найточніше зображення.
Тепер, у Великому адронному колайдері в CERN, фізики знайшли докази однієї з таких форм: ядро, структуроване як кегля, що ховається всередині кожного атома неону.
Це не просто цікавість. Розуміння цієї форми має наслідки для ядерної фізики та для розуміння дивної колективної поведінки матерії, що виробляється, коли атомні ядра стикаються на величезних енергіях.
Не всі ядра побудовані однаково. Деякі можуть мати форми, які відрізняються від сфери; наприклад, радій-224 має явно асиметричне грушоподібне атомне ядро. Розуміння цих форм може допомогти фізикам передбачити, як ядра можуть поводитися в екстремальних умовах.
Але насправді побачити ці форми не так просто, і не лише тому, що атомні ядра такі малі.
У звичайних вимірюваннях ядро не сидить на місці. Його квантовий стан ефективно середньо по всіх можливих орієнтаціях, тому не сферичне ядро з нульовим кутовим моментом все ще виглядатиме сферичним, коли його спостерігають у лабораторії.
Тут корисно мати під рукою колайдер частинок. Коли атомні ядра розбиваються, їхня внутрішня структура може вплинути на потік матерії, що виробляється в зіткненні.
У своєму експерименті співпраця CMS порівняла зіткнення між двома різними атомними ядрами – киснем-16 і неоном-20. Вони не розбивали кисень і неон разом, а вивчали результати різних запусків колайдера, що включали зіткнення кисень-кисень і неон-неон.
Причина цього в тому, що кисень-16 і неон-20 є корисними партнерами для порівняння. Обидва ядра відносно близькі за масою, але, ймовірно, мають дуже різні внутрішні структури.
Розрахунки передбачають, що кисень-16 має тетраедричну ядерну структуру, тоді як передбачувана структура неону більше нагадує кеглю.
Дослідники порівняли, як частинки виходили з кожного виду зіткнення, шукаючи патерни в потоці, які могли б виявити початкову геометрію ядер, що брали участь.
Вони шукали, чи частинки частіше з'являються в певних напрямках – патерни, відомі як еліптичний і трикутний потік. Якщо підлягаючі ядерні структури дійсно були різними, тонкі відмінності мали б бути помітні в обох цих патернах потоку.
Це те, що дослідники знайшли, з застереженням. Потрібні подальші дослідження, оскільки виміряні зміни в трикутному потоці не відповідали кількісно прогнозам моделі.
Це все ще дійсно цікаві результати, оскільки вони показують, що колективний потік у цих зіткненнях дійсно чутливий до ядерної геометрії. Ми можемо не мати фотографії кеглі, але докази все ще узгоджуються з ядерною деформацією.
Цікавий факт
Великий адронний колайдер є найбільшим і найпотужнішим прискорювачем частинок у світі, і його дослідження допомагають вченим зрозуміти основи матерії та Всесвіту.