Физики наконец-то разгадали загадку ядерных магических чисел: что это

Особый набор чисел, известный как магические числа, почти 80 лет составлял основу исследований в ядерной физике. Теперь ученые выяснили, как возникает этот набор чисел из квантового смешения ядерных частиц и сил. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, пишет New Scientist.

Магические числа в ядерной физике

Почти 80 лет назад физик Мария Гепперт-Майер доказала, что если ядро атома химического элемента содержит определенное количество протонов и нейтронов, то оно становится очень стабильным. В ядерной физике это количество получило название магические числа.

На сегодняшний день магическими числами являются: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Если в ядре атома именно такое количество протонов или нейтронов, то оно является более стабильным, чем ядра атомов других химических элементов. Магические числа присутствуют в изотопах, то есть разновидностях одного и того же атома одного химического элемента.

Существуют также дважды магические числа. Наиболее стабильными ядрами атомов являются те, в которых и число протонов, и число нейтронов являются магическими. Например, такими являются изотопы гелий-4 (2 протона, 2 нейтрона), кислород-16 (8 протонов, 8 нейтронов), кальций-40 (20 протонов, 20 нейтронов) и свинец-208 (82 протона, 126 нейтронов). Последний является самым стабильным известным изотопом.

Гепперт-Майер и ее современники объяснили магические числа тем, что протоны и нейтроны в ядре атома занимают разные энергетические уровни, или оболочки. То есть эти частицы ядра вращаются по орбитам, как электроны вокруг ядра. Эта оболочечная модель ядра атома до сих пор используется для интерпретации многих экспериментов в ядерной физике. В рамках этой модели протоны и нейтроны заполняют оболочки ядра атома, и, как только оболочка заполнена, значительно повышается стабильность ядра.Данная модель рассматривает каждую частицу в ядре как независимую, но современные квантовые теории утверждают, что частицы внутри ядер атомов на самом деле сильно взаимодействуют. Авторы нового исследования разрешили это противоречие и в процессе объяснили, как из этих взаимодействий возникают магические числа.

Решение загадки ядерной физики

По словам физиков, оболочечная модель ядра атома опирается на данные экспериментов и не описывает детали взаимодействий между каждой частицей. Вместо этого ученые математически описали, как частицы взаимодействуют друг с другом, как они приближаются и сколько энергии необходимо, чтобы разделить их.

Два описания аналогичны изображениям, полученным с низким и высоким разрешением соответственно. Физики начали с описания высокого разрешения, постепенно снижая его на каждом этапе вычислений и отслеживая, как изменяется структура, образуемая частицами в ядре.

Физики наблюдали изменение симметрии квантовых состояний частиц. Построение графика на основе уравнений для этих состояний приводило к появлению форм с различной симметрией при разных разрешениях. Это изменение приводило к образованию структуры ядра, которая была наиболее стабильной, когда частицы группировались в магические числа. Изменение симметрии, выявленное физиками, связано с эффектами, описанными в теории относительности Эйнштейна, таким образом, рисуя еще более полную картину того, как магические числа объединяют различные аспекты ядерной физики.

На данный момент авторы исследования проверили свои теоретические предположения на изотопе олова — олово-132, ядро которого является дважды магическим, ведь содержит 50 протонов и 82 нейтрона, а также на нескольких дополнительных ядрах атомов.