Znajdź zawartość

Fizycy znaleźli nowy sposób na wejrzenie w głąb jądra atomu. Okazuje się, że można tego dokonać śledząc interakcje pomiędzy światłem a gluonami, bezmasowymi cząstkami, które pośredniczą w oddziaływaniach silnych. Nowo opracowana metoda wykorzystuje nowo odkryty rodzaj kwantowej interferencji pomiędzy różnymi cząstkami. Protony i neutrony, z których składa się jądro atomowe, są zbudowane z kwarków. Jednak same kwarki byłyby niestabilne, potrzebują gluonów, nośnika oddziaływań silnych, które na podobieństwo kleju utrzymują je razem. Gluony są zbyt małe, byśmy mogli je dostrzec, ale wchodzą w interakcje z fotonami, w wyniku czego powstają krótko żyjące mezony ρ (rho), które rozpadają się do pionów. Uczeni z Brookhaven National Laboratory użyli akceleratora Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), w którym przyspieszane są jądra atomów złota i uranu. Podróżujące jądra były otoczone chmurą spolaryzowanych fotonów. Minęły się one z olbrzymią prędkością w odległości równej kilku średnicom jądra. Dzięki tak małej odległości chmury fotonów otaczające każde z jąder weszły w interakcje z gluonami drugiego jądra. Śledząc prędkości i kąty cząstek pochodzących z tych interakcji można bardzo precyzyjnie określić polaryzację fotonów, a to z kolei pozwala na stworzenie mapy dystrybucji gluonów zarówno w kierunku polaryzacji oraz prostopadle do niego. Taka technika daje nam możliwość znacznie bardziej precyzyjnych pomiarów rozkładu gluonów. Naukowcy badali w akceleratorze kąty i prędkości pionów o ładunku dodatnim i ujemnym pochodzących ze wspomnianych interakcji. W ten sposób mogli stworzyć szczegółową mapę rozkładu gluonów w jądrach atomów złota i uranu. Technika obserwacji jest podobna do pozytonowej tomografii emisyjnej, ale działa w skali femtometrów (10-15 m). Pozwoli ona lepiej zrozumieć, w jaki sposób gluony biorą udział w tworzeniu jądra atomowego. Wcześniejsze badania pozwalały jedynie określić, jak daleko od centrum jądra znajduje się każdy z gluonów, gdyż brakowało wówczas precyzyjnych informacji o polaryzacji. Skutkiem tego były błędy interpretacyjne, w wyniku których tak badane jądra wydawały się większe niż wykazywały to inne eksperymenty oraz modele teoretyczne. Naukowcy rozwiązali więc zagadkę trapiącą fizyków od 20 lat. Teraz wiemy, że podczas poprzednich, mniej precyzyjnych pomiarów, mylono pęd i energię fotonu z gluonami. Uzyskane przez nas obrazy są tak precyzyjne, że możemy nawet zauważyć, gdzie w dużym jądrze znajdują się protony, a gdzie neutrony, cieszą się autorzy badań. Ponadto wzorce interferencji pomiędzy funkcjami falowymi obserwowanych pionów wykazały, że – mimo iż miały przeciwne ładunki – były one splątane. To pierwsza eksperymentalna obserwacja interferencji między niepodobnymi cząstkami. Niewykluczone, że uda się dzięki temu opracować nowe sposoby uzyskiwania stanów splątanych. « powrót do artykułu

Jak naprawdę wyglądają jądra atomowe? Czy znajdujące się w nich protony i neutrony są rozmieszczone chaotycznie? A może łączą się w klastry alfa, czyli grudki zbudowane z dwóch protonów i dwóch neutronów? W przypadku kilku lekkich jąder doświadczalne potwierdzenie indywidualizmu bądź rodzinnej natury nukleonów będzie teraz łatwiejsze dzięki przewidywaniom przedstawionym przez fizyków z Krakowa i Kielc. Każdy w miarę sumienny licealista dokładnie wie, jak wygląda jądro atomowe: to zlepek przypadkowo rozmieszczonych protonów i neutronów (czyli nukleonów). Sami fizycy nie mają jednak tak jednoznacznych wyobrażeń. Już w 1931 roku, zaledwie 20 lat po odkryciu jądra atomowego, pojawiły się pierwsze sugestie, że protony i neutrony w jądrach atomowych łączą się w jądra helu, a więc w grupki dwóch protonów i dwóch neutronów, często nazywane klastrami alfa. Jądra atomowe są jednak obiektami tak skrajnie małymi i trudnymi do zbadania, że choć od pierwszych przewidywań upłynął już niemal wiek, wciąż nie udało się jednoznacznie potwierdzić występowania w nich klastrów alfa. Łączenie się obiektów w grupy sprzyja obniżaniu energii w układach fizycznych. Ten potężny, uniwersalny mechanizm występuje w przyrodzie w różnych skalach wielkości: kwarki łączą się w mezony lub bariony, atomy w cząsteczki, gwiazdy w galaktyki, a galaktyki w grupy galaktyk. W przypadku jąder atomowych symulacje komputerowe sugerują, że np. w jądrze berylu 9Be znajdują się dwa klastry alfa i jeden neutron (cały kompleks z wyglądu przypominałby hantel). W jądrze węgla 12C powinny znajdować się trzy klastry alfa (kształt jądra byłby więc trójkątny), cztery w tlenie 16O (tu jądro przypominałoby piramidę), dziesięć w wapniu 40Ca i czternaście w niklu 56Ni. W 2014 roku naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie, we współpracy z fizykami z Universidad de Grenada, przedstawili sposób wykrycia śladów pierwotnej struktury jąder atomowych w rozkładzie prędkości cząstek rozbiegających się z punktu zderzenia ultrarelatywistycznych lekkich jąder atomowych z tarczą zbudowaną z jąder ciężkich, takich jak ołów 208Pb czy złoto 197Au. Ówczesne przewidywania koncentrowały się wokół sposobów detekcji klastrów alfa w jądrach węgla 12C. W naszej najnowszej publikacji, napisanej wraz z fizykami z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jana Kochanowskiego w Kielcach, przedstawiamy bardziej szczegółowe przewidywania dotyczące możliwości zaobserwowania śladów klastrów alfa w jądrach atomowych. Pokazujemy przy tym, jak klastry te można byłoby wykryć w kolejnych jądrach, nie tylko węgla 12C, ale także berylu 7Be i 9Be oraz tlenu 16O, mówi prof. dr hab. Wojciech Broniowski (IFJ PAN, UJK). Metoda wykrycia klastrów alfa w jądrach atomowych, opisana w publikacji wyróżnionej przez redaktorów czasopisma Physical Review C, opiera się na ciekawej zależności. Ciężkie jądra atomowe, nawet gdyby składały się z klastrów alfa, są tak duże, że z dobrym przybliżeniem można je traktować jako dość jednorodne kule. Gdy w takie jądro z prędkością ultrarelatywistyczną (a więc bardzo bliską prędkości światła) uderza lekkie jądro atomowe, energia zderzenia jest tak wielka, że protony i neutrony na ułamki sekund rozpadają się na kwarki i zlepiające je gluony. Powstaje wówczas prawdopodobnie najbardziej egzotyczny płyn: plazma kwarkowo-gluonowa. W naszej pracy zauważamy, że jeśli lekkie jądro atomowe nie jest jednorodne, obłok plazmy kwarkowo-gluonowej utworzony w wyniku zderzenia jest zdeformowany. Jego kształt przynajmniej w pewnym stopniu będzie odpowiadał kształtowi lekkiego jądra. Plazma będzie się więc rozlewała na wszystkie strony, ale w różnych kierunkach z nieco innymi prędkościami, wyjaśnia dr hab. Maciej Rybczyński, prof. UJK. Plazma kwarkowo-gluonowa stygnie tak szybko, że bezpośrednie jej zaobserwowanie nie jest obecnie możliwe. Już po kilku femtosekundach (milionowych części jednej miliardowej sekundy) kwarki i gluony łączą się ponownie w cząstki w procesie nazywanym hadronizacją. W kierunkach, w których plazma kwarkowo-gluonowa płynęła nieco szybciej, możemy się spodziewać nieco większych prędkości cząstek powstałych przy hadronizacji. Jeśli więc z dostateczną precyzją zarejestrujemy pędy cząstek rozbiegających się z punktu zderzenia, potencjalnie jesteśmy w stanie z drobnych różnic wydobyć informację o kształcie jądra, które uderzyło w tarczę. Na dodatek informacja ta będzie dotyczyła jądra w stanie podstawowym, tłumaczy Milena Piotrowska, doktorantka UJK. Badania fizyków z IFJ PAN i UJK, współfinansowane z grantów Narodowego Centrum Nauki, dostarczają konkretnych przewidywań teoretycznych. Kolejny krok należy teraz do fizyków doświadczalnych pracujących przy akceleratorach o dużych energiach, takich jak Super Proton Synchrotron (SPS) czy Large Hadron Collider (LHC) w europejskiej organizacji CERN bądź Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC) w amerykańskim Brookhaven National Laboratory. Ponieważ eksperymenty potwierdzające grudkowatą strukturę jąder atomowych nie wymagają rozbudowy obecnie działającej aparatury, będzie można je przeprowadzić już w najbliższych latach. « powrót do artykułu

W roku 2002 Paul Koehler wraz z kolegami z Oak Ridge Electron Linear Accelerator (ORELA) mierzyli rezonans neutronów w czterech różnych izotopach platyny. Uzyskane wyniki były inne od oczekiwanych. Dodatkowe, niedawno przeprowadzone badania sugerują, że obowiązujące obecnie teorie dotyczące struktury jądra atomowego mogą być błędne. Teorie te mówią bowiem, że nukleony powinny poruszać się chaotycznie. Tymczasem badacze z Oak Ridge National Laboratory odkryli, że ich ruch jest regularny. Nowe badania sugerują, że 200 nukleonów w jądrze platyny działa zgodnie a nie chaotycznie. Biorąc pod uwagę dość duże energie i wielką liczbę nukleonów, takie kolektywne działanie jest niespodziewane i nie potrafimy go wyjaśnić - napisali badacze. Ich zdaniem, eksperymenty pozwalają stwierdzić z 99,997% prawdopodobieństwem, że współczesna teoria o macierzach przypadkowych jest nieprawdziwa w odniesieniu do badanych jąder. Jednak by potwierdzić te odkrycia należy przeprowadzić eksperymenty na innych jądrach niż jądra platyny. Może bowiem okazać się, że tylko platyna wykazuje niespotykane właściwości niepasujące do teorii. Problem jednak w tym, że ze względu na oszczędności budżetowe ORELA został zamknięty i nie wiadomo, czy projekt kiedykolwiek ponownie ruszy. Jak informuje Koehler, obecnie jedynym miejscem na świecie, gdzie można przeprowadzić takie eksperymenty, jakie prowadził jego zespół, jest belgijski Geel Electron Linear Accelerator (GELINA). Badania Koehlera mogą mieć praktyczne zastosowanie w energetyce jądrowej. Zajmujący się nią specjaliści polegają bowiem na teorii o macierzach przypadkowych do oceny prawdopodobieństwa ucieczki neutronów, a zatem do wyliczenia właściwości osłon dla reaktorów i składowisk paliwa.