Тайна «магических ядер». Физики вывели формулу стабильности материи
Физика (Фото: depositphotos.com)
Команде под руководством Чэньжуна Дина (Университет Сунь Ятсена) удалось построить модель, которая объясняет феноменальную стабильность так называемых «магических ядер», исходя не из эмпирических предположений, а непосредственно из механики взаимодействия между протонами и нейтронами.
Хотя количество протонов определяет химическую природу элемента, количество нейтронов в ядре может варьироваться, создавая изотопы. Однако этот баланс не является произвольным: избыток или дефицит нейтронов быстро приводит к нестабильности. Исключением являются изотопы с определенным количеством нуклонов (протонов или нейтронов) — эти «магические числа» обеспечивают ядру чрезвычайную прочность.
До сих пор для описания таких состояний использовали оболочечную модель ядра, которая по логике похожа на распределение электронов в атоме. Проблема в том, что эта модель, несмотря на свою прогностическую эффективность, является феноменологической. Она фактически игнорирует прямое влияние сильного ядерного взаимодействия — той самой силы, которая держит протоны вместе, несмотря на их электрическое отталкивание.
Группа Дина применила другой подход, обратившись к квантовомеханическому принципу, согласно которому состояние системы невозможно наблюдать, не изменив его. Вместо упрощенных уровней энергии, физики сосредоточились на волновой функции, которая описывает систему целостно, учитывая парные и даже тройные взаимодействия между нуклонами.
Объектом тестирования стало олово-132 (Sn-132) — «дважды магический» изотоп с 50 протонами и 82 нейтронами. Анализируя его волновую функцию при низком разрешении (фокусируясь на коллективном поведении частиц), авторы обнаружили, что структура уровней оболочечной модели возникает естественным образом из фундаментальных взаимодействий.
Впервые удалось перекинуть мостик между двумя изолированными подходами: моделями, просто описывающими поведение ядер, и методами «первых принципов» (ab initio), выводящими это поведение из базовых сил.
«Это подтверждает, что магические числа протонов и нейтронов остаются неизменными именно благодаря внутренней динамике взаимодействия», — следует из результатов работы. Теперь исследователи планируют применить этот фреймворк для изучения «экзотических» регионов ядерной карты — тяжелых элементов, чьи свойства до сих пор остаются загадкой, но могут пролить свет на происхождение материи во Вселенной.
