Każdy atom we Wszechświecie zbudowany jest wokół jądra – gęsto upakowanego pakietu protonów i neutronów, który stanowi jego rdzeń, definiuje tożsamość pierwiastka i zawiera większość jego masy. Choć podręczniki często przedstawiają to skupisko cząstek jako sferyczną bryłę, nie zawsze jest to dokładny obraz.
Okazuje się, że nie wszystkie jądra atomowe są zbudowane w ten sam sposób. Niektóre mogą mieć kształty odbiegające od kuli; na przykład rad-224 posiada wyraźnie asymetryczne jądro atomowe przypominające gruszkę. Zrozumienie tych kształtów może pomóc fizykom przewidzieć, jak jądra będą zachowywać się w ekstremalnych warunkach, takich jak te panujące we wnętrzach gwiazd czy w czasie wysokoenergetycznych zderzeń.
Problem polega jednak na tym, że faktyczne “zobaczenie” tych kształtów nie jest proste. Jądra atomowe są nie tylko niewyobrażalnie małe, ale w zwykłych pomiarach nie pozostają nieruchome. Ich stan kwantowy uśrednia wszystkie możliwe orientacje, sprawiając, że niesferyczne jądro o zerowym momencie pędu będzie nadal wydawało się sferyczne.
Zderzenia, które ujawniają sekrety
Właśnie w tym miejscu z pomocą przychodzą akceleratory cząstek. Kiedy jądra atomowe zderzają się ze sobą z ogromnymi energiami, ich wewnętrzna, fundamentalna struktura może wpływać na przepływ materii powstającej w kolizji. Wyobraźmy sobie umieszczenie dwóch obiektów o różnych kształtach w strumieniu wody, ukrytych przed wzrokiem. Badając, jak woda przepływa wokół każdego obiektu w dół strumienia, można by odtworzyć informacje o kształcie obiektu, który ją zakłócił. Zasada działania jest podobna, choć w przypadku zderzeń jądrowych, materia w ogóle powstaje dopiero w momencie kolizji.
Dla potrzeb swojego eksperymentu, Kolaboracja CMS porównała zderzenia między dwoma różnymi jądrami atomowymi: tlenem-16 i neonem-20. Naukowcy nie zderzali ich ze sobą, lecz analizowali wyniki różnych serii eksperymentów zderzających tlen-tlen oraz neon-neon.
Dlaczego wybrano akurat te pierwiastki? Tlen-16 i neon-20 stanowią użyteczne pary porównawcze. Ich jądra mają stosunkowo zbliżoną masę, ale prawdopodobnie posiadają bardzo różne wewnętrzne struktury. Obliczenia przewidują (a wcześniejsze prace potwierdziły to), że tlen-16 ma tetraedryczną strukturę jądrową, podczas gdy przewidywana struktura dla neonu przypomina właśnie kręgiel.
Niewidzialne dowody i delikatne niuanse
Naukowcy porównali, jak cząstki wydostawały się z każdego rodzaju zderzenia, szukając wzorców w przepływie, które mogłyby ujawnić początkową geometrię zaangażowanych jąder. Zwracali uwagę na to, czy cząstki były bardziej skłonne do pojawiania się w określonych kierunkach – wzorce znane jako przepływ eliptyczny i trójkątny. Gdyby struktury jąder rzeczywiście różniły się, subtelne rozbieżności byłyby widoczne w obu tych wzorcach przepływu. W szczególności, różnica w strukturze powinna ujawnić się w względnej sile przepływu eliptycznego, zwłaszcza w najbardziej czołowych zderzeniach.
To właśnie odkryli badacze – choć z pewnym zastrzeżeniem. Dalsze badania są konieczne, ponieważ zmierzone zmiany w przepływie trójkątnym nie pasowały ilościowo do przewidywań modelu. Niemniej jednak, jest to naprawdę fascynujący wynik. Pokazuje on, że kolektywny przepływ w tych zderzeniach jest autentycznie wrażliwy na geometrię jądra. Choć nie mamy “fotografii” maleńkiego kręgla, dowody są spójne z deformacją jądrową.
Nowa era w badaniach struktury jądra?
Oznacza to, że tak subtelne źródło, jak przestrzenne rozmieszczenie protonów i neutronów w jądrze atomowym, może pozostawić wykrywalny ślad w rozbryzgu cząstek, który wydobywa się podczas zderzeń jąder. Odkrycia te sugerują zatem, że zderzacze cząstek mogą dać fizykom nowy sposób badania struktur jąder atomowych – poprzez rozbijanie ich i “odczytywanie” ich kształtu z wyrzuconych wnętrzności, niczym współcześni haruspicy w laboratoryjnych fartuchach.
“Wyniki te ustanawiają wrażliwość kolektywnego przepływu w zderzeniach lekkich jonów zarówno na początkową geometrię, jak i na hydrodynamiczną odpowiedź ośrodka” – piszą badacze. “Dostarczają one rygorystycznych ograniczeń dla modeli kolektywności małych systemów i oferują cenne implikacje dla badań struktury jądrowej.”
Wyniki zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Physical Review Letters. To przełom, który nie tylko poszerza naszą wiedzę o podstawowych składnikach materii, ale także otwiera drzwi do głębszego zrozumienia ekstremalnych stanów, w jakich może się ona znajdować.
