Ένας νέος «μαγικός αριθμός» αλλάζει όσα ξέραμε για την προέλευση της ύλης στο Σύμπαν
Μια σημαντική ανακάλυψη από Κινέζους φυσικούς φαίνεται πως ανοίγει νέο κεφάλαιο στη μελέτη της πυρηνικής φυσικής και κατ’ επέκταση στην κατανόηση της ίδιας της δημιουργίας του Σύμπαντος. Ερευνητές του Institute of Modern Physics (IMP), που ανήκει στην Chinese Academy of Sciences (CAS), κατάφεραν να πραγματοποιήσουν για πρώτη φορά ακριβή μέτρηση της μάζας του σπάνιου ισοτόπου πυριτίου-22 (silicon-22), ενός ασταθούς πυρήνα με έλλειψη νετρονίων και εξαιρετικά μικρή διάρκεια ζωής.
Τα αποτελέσματα, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Physical Review Letters, αποκάλυψαν ότι ο αριθμός 14 στα πρωτόνια του πυριτίου-22 λειτουργεί ως ένας νέος «μαγικός αριθμός» στην πυρηνική φυσική – ένας όρος που περιγράφει συνδυασμούς πρωτονίων ή νετρονίων που προσδίδουν ασυνήθιστη σταθερότητα στους ατομικούς πυρήνες.
Η έννοια των μαγικών αριθμών
Οι ατομικοί πυρήνες αποτελούνται από πρωτόνια και νετρόνια. Σε συγκεκριμένους αριθμούς αυτών των σωματιδίων, που αποκαλούνται «μαγικοί αριθμοί», οι πυρήνες αποκτούν ιδιαίτερη σταθερότητα. Οι κλασικοί μαγικοί αριθμοί είναι οι 2, 8, 20, 28, 50, 82 και 126. Η θεωρία αυτή εδραιώθηκε τη δεκαετία του 1960 μέσω του μοντέλου πυρηνικών φλοιών (nuclear shell model), έργο των Maria Goeppert Mayer και J. Hans D. Jensen, το οποίο τους χάρισε το Νόμπελ Φυσικής το 1963.
Ωστόσο, αυτοί οι αριθμοί αφορούν κυρίως σταθερά ισότοπα. Για τα πιο εξωτικά, βραχύβια ισότοπα, οι «μαγικοί αριθμοί» εξακολουθούν να ανακαλύπτονται. Η μελέτη τους βοηθάει τους επιστήμονες να δοκιμάζουν τις πυρηνικές δυνάμεις σε ακραίες συνθήκες και να κατανοούν καλύτερα πώς σχηματίστηκαν τα στοιχεία κατά τα πρώτα στάδια του Σύμπαντος.
Από τη θεωρία στην πράξη
Τα τελευταία χρόνια έχουν προκύψει νέοι «μαγικοί αριθμοί» για νετρόνια, όπως οι 14, 16, 32 και 34, σε εξωτικά ισότοπα μακριά από τη σταθερότητα. Ωστόσο, η επιβεβαίωση νέων μαγικών αριθμών για πρωτόνια ήταν πολύ πιο δύσκολη. Η θεωρία προέβλεπε πως, λόγω της λεγόμενης πυρηνικής κατοπτρικής συμμετρίας, ο αριθμός 14 στα πρωτόνια θα έπρεπε να λειτουργεί ως μαγικός στο ισότοπο πυρίτιο-22, όπως ακριβώς συμβαίνει με τον αριθμό 14 στα νετρόνια του οξυγόνο-22.
Το πρόβλημα ήταν ότι το πυρίτιο-22 παράγεται σε ελάχιστες ποσότητες και διασπάται σχεδόν αμέσως, καθιστώντας αδύνατη την ακριβή μελέτη του – μέχρι σήμερα.
Το πείραμα στο Lanzhou
Χρησιμοποιώντας την τεχνική Bρ-defined isochronous mass spectroscopy (IMS) στο Cooling Storage Ring του Heavy Ion Research Facility στο Lanzhou, η ομάδα του IMP κατάφερε να μετρήσει για πρώτη φορά τη μάζα θεμελιώδους κατάστασης του πυριτίου-22. Πρόκειται για τον πρώτο ακριβή προσδιορισμό μάζας ενός πυρήνα που βρίσκεται στο όριο σταθερότητας ως προς τα πρωτόνια.
Το πυρίτιο-22 βρίσκεται ακριβώς σε αυτό το όριο, όπου ένας πυρήνας δεν μπορεί να δεχθεί άλλο πρωτόνιο χωρίς να διασπαστεί. Η μέτρηση έδειξε ότι έχει θετική ενέργεια διαχωρισμού δύο πρωτονίων, γεγονός που σημαίνει ότι δεν αποσυντίθεται φυσικά με εκπομπή δύο πρωτονίων – επιβεβαιώνοντας έτσι πως το ισότοπο αυτό, αν και ακραία ασταθές, δεν παρουσιάζει το φαινόμενο της διπλής εκπομπής πρωτονίων.
Παράλληλα, η ομάδα πραγματοποίησε και μια νέα, ακριβέστερη μέτρηση του πυριτίου-23, με βελτίωση ακρίβειας σχεδόν επτά φορές σε σχέση με προηγούμενες προσπάθειες.
Επιβεβαίωση του νέου μαγικού αριθμού
Με τα νέα δεδομένα, οι επιστήμονες υπολόγισαν την ενέργεια ζευγαρώματος πρωτονίων του πυριτίου-22 και τη συνέκριναν με την αντίστοιχη ενέργεια νετρονίων του οξυγόνου-22. Τα αποτελέσματα έδειξαν καθαρά ότι ο αριθμός 14 λειτουργεί πράγματι ως μαγικός αριθμός και για τα πρωτόνια. Το συμπέρασμα αυτό υποστηρίζεται και από το Gamow Shell Model, ένα προχωρημένο θεωρητικό μοντέλο που εξηγεί την συμπεριφορά εξωτικών, αδύναμα δεσμευμένων πυρήνων.
Αξίζει να σημειωθεί πως τόσο το πυρίτιο-22 όσο και το οξυγόνο-22 εμφανίζουν χαρακτηριστικά «διπλής μαγικότητας», δηλαδή σταθερότητα τόσο σε πρωτόνια όσο και σε νετρόνια. Παράλληλα, η μελέτη έδειξε μικρές αποκλίσεις στην κατοπτρική συμμετρία τους: οι πρωτονιακές κατανομές του πυριτίου-22 είναι πιο απλωμένες σε σχέση με τις νετρονιακές του οξυγόνου-22.
Τι σημαίνει αυτή η ανακάλυψη
Η επιβεβαίωση ενός νέου μαγικού αριθμού ανοίγει δρόμους για βαθύτερη κατανόηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων σε ακραίες συνθήκες. Δίνει επίσης πολύτιμα στοιχεία για τη «γλώσσα» με την οποία η φύση δομεί την ύλη, από τα πιο απλά στοιχεία μέχρι τα βαρύτερα που σχηματίστηκαν στα άστρα και στις εκρήξεις σουπερνόβα.
Στο ευρύτερο πλαίσιο, τέτοιες μελέτες συνεισφέρουν στη μεγάλη προσπάθεια των φυσικών να αποκρυπτογραφήσουν τον «κώδικα κατασκευής» του Σύμπαντος, να κατανοήσουν δηλαδή με ποιον τρόπο η ύλη πήρε μορφή κατά την απαρχή του χρόνου.
Όπως επισημαίνουν οι ερευνητές, κάθε νέο βήμα στην ανακάλυψη εξωτικών ισοτόπων δεν είναι απλώς μια ακαδημαϊκή επιτυχία, αλλά ένα κομμάτι του παζλ που εξηγεί γιατί το Σύμπαν έχει τη δομή που παρατηρούμε σήμερα.
[via]
