Jądro atomu wcale nie musi kształtem przypominać kuli. Dotąd wydawało się jednak, że nieźle zdeformowane bywają tylko jądra ciężkich pierwiastków. Tymczasem fizycy m.in. z Polski pokazali, że do skomplikowanych deformacji jąder atomowych dochodzi także w pierwiastkach tak lekkich jak wapń.Większość ciężkich jąder atomowych wcale nie wygląda jak idealne kule: są nieznacznie spłaszczone lub wydłużone wzdłuż jednej, dwóch, a nawet trzech osi. Na łamach prestiżowego czasopisma „Physical Review Letters” zaprezentowano wyniki eksperymentów dowodzących, że bardzo wyraźne i skomplikowane deformacje, obserwowane dotychczas wyłącznie w ciężkich jądrach atomowych, pojawiają się nawet w tak lekkich pierwiastkach jak wapń.

Badania przeprowadzili naukowcy Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie i Środowiskowego Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu Warszawskiego (ŚLCJ) przy szerokiej współpracy międzynarodowej.

"O tym, że jądra atomowe mogą być nieznacznie zdeformowane nawet w lekkich pierwiastkach, było wiadomo od kilku lat. W naszych eksperymentach wykazaliśmy jednak, że w przypadku jąder wapnia 42Ca dochodzi do szczególnie wyraźnej i złożonej deformacji, nazywanej superdeformacją trójosiową. Podobne efekty były dotychczas obserwowane tylko w jądrach ciężkich, zbudowanych z około 130-170 protonów i neutronów” – mówi prof. Adam Maj z IFJ PAN, który wraz z prof. Faicalem Azaiezem z francuskiego Institut de Physique Nucléaire d’Orsay był jednym z głównych pomysłodawców poszukiwań.

Jądra atomowe liczą od jednego protonu do ponad 200 protonów i neutronów. Sklejone są oddziaływaniami silnymi, przezwyciężającymi potężne odpychanie elektrostatyczne między dodatnio naładowanymi protonami. Jądra są strukturami kształtowanymi przez bardzo złożone zjawiska kwantowe. Dynamika zachodzących tu procesów jest taka szybka, że gdy w odpowiednio długim przedziale czasu (a w mikroświecie są nim nawet ułamki sekund) przyjrzymy się jądru atomowemu, zobaczymy tylko statystycznie uśredniony kształt jądra. W części przypadków jest nim po prostu kula.

Od lat pięćdziesiątych XX wieku znane są jednak jądra wydłużone, niekiedy znacznie, np. do elipsoidy o jednej osi dwukrotnie dłużej od pozostałych – mówimy wtedy o superdeformacji jądrowej (stosunkowo często spotyka się także jądra rozciągnięte w proporcji 3:2). Możliwe są przy tym zniekształcenia jeszcze bardziej wyrafinowane, gdy do dużych odstępstw od kulistości dochodzi nie względem jednej, lecz nawet wzdłuż trzech osi. Tak zniekształcone jądra są określane jako superzdeformowane trójosiowo i były dotychczas obserwowane wyłącznie w pierwiastkach ciężkich.

Jądra atomowe mają rozmiary kilku femtometrów, czyli tysięcznych części miliardowej części milimetra. Bezpośrednia obserwacja tak małych obiektów nie jest możliwa. Informację o ich strukturze zdobywa się więc metodami mniej lub bardziej pośrednimi, analizując promieniowanie gamma emitowane przez jądra przechodzące od stanów o większych energiach do stanów o energiach mniejszych. W zależności od budowy jąder i sposobu wzbudzania, stany wzbudzone mogą mieć różną naturę: jądro może w różny sposób wibrować jako całość, ale może także np. zostać pobudzone do rotacji. Polskich fizyków interesowały zwłaszcza te ostatnie stany, rotacyjne.

Doświadczenia nad superdeformacją lekkich jąder atomowych polegały na bardzo dokładnej obserwacji i analizie promieniowania gamma emitowanego przez jądra wapnia 42Ca, wzbudzone do stanów rotacyjnych w wyniku zderzenia z tarczami zbudowanymi z ołowiu 208Pb lub złota 197Au (każde uderzające w tarczę jądro 42Ca miało energię kinetyczną 170 MeV, czyli milionów elektronowoltów). Pomiary przeprowadzono za pomocą detektora promieniowania gamma AGATA, znajdującego się we włoskim ośrodku INFN Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL).

Wzbudzenie jądra wapnia 42Ca do stanu superzdeformowanego trójosiowo wymaga dostarczenia stosunkowo niewielkiej ilości energii (ok. 2 MeV). Energetycznie stan superzdeformowany leży więc bardzo blisko niemal kulistego stanu podstawowego. Z tego powodu fizycy mówią o pewnej koegzystencji kształtów obu stanów.

„Pełna analiza danych zebranych w Legnaro zajęła nam trzy lata. Po drodze musieliśmy jeszcze wykonać inny, uzupełniający eksperyment, na warszawskim cyklotronie. Jego wyniki pozwoliły wykluczyć jeden z alternatywnych wariantów interpretacji danych” – mówi dr Paweł Napiorkowski, kierujący projektem w ŚLCJ.

Odkrycie trójosiowej superdeformacji w wapniu 42Ca pomoże lepiej zrozumieć zjawiska w jądrach atomowych. Współczesne narzędzia teoretyczne nie pozwalają bowiem na dokładne modelowanie jąder o liczbie atomowej znacznie przekraczającej 40, co ograniczało rozwój badań nad superdeformacjami. Tymczasem w przypadku wapnia wiele przeszkód teoretycznych znika.

Jest też prawdopodobne, że pomiary i analizy będzie można w przyszłości użyć do poszukiwań innych superzdeformowanych stanów o niskiej energii wzbudzenia, w tym o dłuższych czasach życia niż typowe milionowe miliardowych części sekundy. Znalezienie takich stanów pozwoliłoby myśleć o wytworzeniu sytuacji, w której większość jąder atomowych przebywałaby w tym samym stanie wzbudzonym. Byłby to ważny krok w kierunku budowy lasera jądrowego, zdolnego emitować spójne jądrowe promieniowanie gamma.

Współpraca między ośrodkami krakowskim i warszawskim odbywa się w ramach konsorcjum Narodowe Laboratorium Cyklotronowe (NLC). W badaniach ważną rolę odegrali uczeni z wielu krajów, w szczególności dr Jose Javier Valiente Dobon (INFN LNL, Włochy) i dr Magda Zielińska (ŚLCJ, Polska; CEA, Francja). Po stronie polskiej badania sfinansowano z grantów Narodowego Centrum Nauki i Unii Europejskiej.

PAP – Nauka w Polsce
www.naukawpolsce.pap.pl