Doskonałym przykładem są tak zwane wyspy inwersji, gdzie znane zasady organizacji jąder atomowych nagle przestają działać. Dotychczas obserwowano je wyłącznie w izotopach bogatych w neutrony, dalekich od stabilności, takich jak beryl-12, magnez-32 czy chrom-64. Ich istnienie kwestionowało utrwalone teorie, ale pozostawało w bezpiecznej, egzotycznej niszy. Teraz jednak sytuacja się zmieniła.
Eksperyment mierzący czas z precyzją pikosekund
Miedzynarodowa grupa naukowców z instytutów naukowych w Korei, Włoszech, USA i Francji dokonała odkrycia, które burzy ten schemat. Po raz pierwszy zaobserwowano wyspę inwersji w całkowicie symetrycznym jądrze molibdenu-84, gdzie liczba protonów równa się liczbie neutronów. To zupełnie nowa jakość w badaniach nad strukturą materii.
Aby to potwierdzić, naukowcy zbadali dwa sąsiadujące izotopy molibdenu: Mo-84 oraz Mo-86. Region jąder o równych liczbach protonów i neutronów jest niezwykle trudny do analizy ze względu na problemy z ich wytworzeniem. Udało się to za pomocą akceleratora ReA3 na Uniwersytecie Stanowym w Michigan oraz niezwykle czułych detektorów promieniowania gamma GRETINA i TRIPLEX. Pozwoliły one zmierzyć czasy życia stanów wzbudzonych z dokładnością do pikosekund, czyli bilionowych części sekundy.
Czytaj także: Dwusiarczek molibdenu – wyjątkowy materiał, który może zrewolucjonizować elektronikę
Wyniki były zaskakujące. Mimo minimalnej różnicy w składzie, zachowanie obu jąder okazało się diametralnie różne. Molibden-84 wykazywał intensywny ruch kolektywny, wskazujący na to, że całe grupy protonów i neutronów jednocześnie przekraczają bariery energetyczne. Doszło w nim do reorganizacji typu 8-cząstka-8-dziura, masowego, skoordynowanego wzbudzenia. Jego sąsiad, Mo-86, pozostał przy znacznie skromniejszych wzbudzeniach i zachował dużo bardziej stabilną formę.
Kluczowa rola symetrii protonów i neutronów
Co powoduje tak drastyczną różnicę? Okazuje się, że decydujące jest połączenie dwóch czynników. Pierwszym jest pełna symetria między liczbą protonów i neutronów. Drugim jest osłabienie tak zwanej szczeliny powłokowej przy magicznej liczbie 40. To specyficzne połączenie sprawia, że skoordynowane ruchy wielu nukleonów stają się niezwykle łatwe do zainicjowania.
Co ciekawe, tradycyjne modele teoretyczne, które przez dekady dobrze opisywały jądra atomowe, całkowicie zawiodły przy próbie wyjaśnienia struktury Mo-84. Modele oparte na oddziaływaniach tylko między dwoma nukleonami nie były w stanie odtworzyć obserwowanej silnej deformacji. Dopiero uwzględnienie znacznie bardziej złożonych sił trójnukleonowych, gdzie trzy cząstki oddziałują jednocześnie, pozwoliło na teoretyczne odtworzenie wyników. To mocna wskazówka na to, że fundamentalne siły wiążące materię są bardziej skomplikowane, niż sądziliśmy.
Nowe możliwości dla fizyki podstawowej
Odkrycie podważa fundamentalne założenie, że ekstremalne zjawiska, takie jak inwersja, występują tylko w jądrach o dużym nadmiarze neutronów. Okazuje się, że idealna symetria również może prowadzić do równie spektakularnych i niestabilnych konfiguracji. To trochę tak, jakbyśmy odkryli, że najbardziej zwichrowane konstrukcje można zbudować z idealnie równych klocków.
Czytaj także: W Chinach produkują wodór dziwną metodą. Jakim kosztem chcemy dokonać tej transformacji?
Otwiera to zupełnie nowy kierunek poszukiwań. Fizycy mają teraz powód, aby uważnie przyjrzeć się innym symetrycznym jądrom w tablicy nuklidów. Bardzo możliwe, że czekają tam kolejne, nieodkryte jeszcze wyspy inwersji. Nowe modele teoretyczne, które muszą teraz powstać, będą wymagały żmudnej weryfikacji. Mimo to perspektywa lepszego zrozumienia sił rządzących w sercu atomu jest niezwykle pociągająca. To krok w stronę pełniejszej mapy świata na jego najbardziej podstawowym poziomie.