Физики раскрыли тайну «магических» ядер через призму сильного взаимодействия

Где проходит грань между стабильностью и распадом? Международная группа ученых нашла неожиданный ответ, размыв картину мира до неузнаваемости.

Каждый химический элемент уникален благодаря строго определенному числу протонов в ядре. Однако количество нейтронов может варьироваться, образуя изотопы с одинаковым зарядом, но разной массой. Когда баланс нарушается, ядро становится нестабильным. Чем тяжелее элемент, тем меньше у него стабильных форм.

Однако существуют изотопы с исключительной стабильностью при строго определенных числах протонов или нейтронов (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126). Их называют магическими ядрами. Долгое время их природу объясняла оболочечная модель: нуклоны занимают дискретные энергетические уровни, а переходы между ними сопровождаются выделением или поглощением энергии.

Модель предсказывала магические комбинации, но не учитывала в явном виде сильное ядерное взаимодействие — силу, склеивающую протоны в ядре. Вписать магические числа в рамки фундаментальных сил долгое время не удавалось.

Команда Чэньжуна Дина из Университета Сунь Ятсена подошла к проблеме иначе. Физики описали ядро как единую квантовую систему с помощью набора волновых функций, отражающих вероятности всех возможных состояний.

Объектом изучения стал изотоп олово-132 — «дважды магический» с 50 протонами и 82 нейтронами. Используя данные сверхвысокого разрешения, ученые намеренно «размыли» картинку, понизив разрешение. В этом обобщенном состоянии проявилась оболочечная структура, а магические числа сохранились как предсказывает теория. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

В ходе работы физики зафиксировали переход от спиновой к псевдоспиновой симметрии при снижении разрешения, сопровождающийся появлением магических чисел. Главную роль в этом процессе играют силы трехнуклонного взаимодействия. Переход наблюдается в разных ядрах как в релятивистской, так и в нерелятивистской парадигмах.

Результат впервые объединил два подхода в теории строения ядра: модели, описывающие поведение ядер из экспериментов, и методы «с первых принципов», выводящие поведение из фундаментальных сил. Ученые надеются, что метод позволит исследовать малоизученные области карты ядер и пролить свет на свойства тяжелых и экзотических изотопов.