Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) αποκάλυψε ατομικό πυρήνα σε σχήμα κορίνας του bowling

Σύνοψη

• Ο πυρήνας του ατόμου του νέου-20 έχει σχήμα που θυμίζει κορίνα του bowling.
• Η ανακάλυψη έγινε από τη συνεργασία CMS στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC).
• Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν τη ροή των σωματιδίων μετά από συγκρούσεις για να προσδιορίσουν το σχήμα των πυρήνων.
• Η μελέτη αποδεικνύει ότι η γεωμετρία των πυρήνων επηρεάζει τις φυσικές διεργασίες σε υποατομικό επίπεδο.

Στον κόσμο της κβαντικής φυσικής, η εικόνα που έχουμε για τα άτομα συχνά περιορίζεται σε μια σφαίρα, γύρω από την οποία περιστρέφονται ηλεκτρόνια. Αυτό το μοντέλο, αν και χρήσιμο για τη διδασκαλία, απέχει από την πολυπλοκότητα της πραγματικότητας. Ένας ατομικός πυρήνας δεν είναι πάντα μια στατική, σφαιρική μάζα, αλλά μπορεί να παρουσιάζει πολύπλοκα σχήματα, τα οποία επηρεάζουν τον τρόπο με τον οποίο η ύλη συμπεριφέρεται. 

Μια πρόσφατη ανακάλυψη στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) έρχεται να ανατρέψει τα καθιερωμένα, αποκαλύπτοντας ότι ο πυρήνας του ατόμου του νέου έχει σχήμα που παραπέμπει σε κορίνα του bowling. Η έρευνα, η οποία δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Physical Review Letters, πραγματοποιήθηκε από τη συνεργασία CMS, ενός από τα κύρια πειράματα του LHC. 

Οι ερευνητές δεν προσπάθησαν να «φωτογραφίσουν» απευθείας τον πυρήνα, κάτι που παραμένει τεχνικά αδύνατο λόγω του απίστευτα μικρού μεγέθους και της ταχύτητας των σωματιδίων, αλλά χρησιμοποίησαν μια έμμεση, πλην όμως εξαιρετικά αποτελεσματική μέθοδο.

Όταν δύο πυρήνες συγκρούονται με ταχύτητες που πλησιάζουν αυτή του φωτός, δημιουργούν μια «σούπα» από σωματίδια που εκτοξεύονται προς όλες τις κατευθύνσεις. Αυτό το σύννεφο σωματιδίων διατηρεί πληροφορίες για την αρχική γεωμετρία των συγκρουόμενων πυρήνων. Σκεφτείτε το σαν να ρίχνετε αντικείμενα διαφορετικού σχήματος μέσα σε ένα ποτάμι, επομένως, το πώς διαταράσσεται η ροή του νερού γύρω από το αντικείμενο αποκαλύπτει το σχήμα του. Στο LHC, οι ερευνητές έκαναν κάτι αντίστοιχο με τους πυρήνες οξυγόνου-16 και νέου-20.

Το οξυγόνο-16 διαθέτει μια τετραεδρική δομή, ενώ το νέο-20 παρουσιάζει μια παραμορφωμένη δομή που προσομοιάζει με το σχήμα μιας κορίνας του bowling. Συγκρίνοντας τα μοτίβα ροής που προκύπτουν από τις συγκρούσεις αυτών των δύο ειδών πυρήνων, οι επιστήμονες μπόρεσαν να εντοπίσουν διαφορές στην ελλειπτική και τριγωνική ροή των σωματιδίων. Αυτές οι διαφορές αποτελούν τα γεωμετρικά αποτυπώματα των πυρήνων τη στιγμή της σύγκρουσης.

Η σημασία αυτής της ανακάλυψης ξεπερνά το απλό ενδιαφέρον για το σχήμα ενός πυρήνα, διότι «βλέποντας» πώς παραμορφώνονται οι πυρήνες, οι φυσικοί αποκτούν μια καλύτερη κατανόηση των δυνάμεων που συγκρατούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια μαζί. Επιπλέον, αυτές οι γνώσεις είναι απαραίτητες για την ερμηνεία των δεδομένων από συγκρούσεις βαρέων ιόντων, οι οποίες προσομοιώνουν τις συνθήκες που επικρατούσαν στο Σύμπαν ελάχιστα δευτερόλεπτα μετά το Big Bang.

Πρέπει βέβαια να σημειωθεί ότι τα αποτελέσματα δεν είναι απόλυτα οριστικά. Οι ερευνητές επισημαίνουν ότι, ενώ η παρατήρηση της ελλειπτικής ροής συμφωνεί με τις προβλέψεις για τη δομή του νέου, υπάρχουν αποκλίσεις όσον αφορά την τριγωνική ροή. Αυτό σημαίνει ότι τα τρέχοντα μοντέλα χρειάζονται περαιτέρω βαθμονόμηση και ότι οι επιστήμονες θα πρέπει να συνεχίσουν την ανάλυση για να περιορίσουν το εύρος των πιθανών γεωμετριών. Ωστόσο, η απόδειξη ότι η συλλογική ροή είναι ευαίσθητη στην αρχική γεωμετρία του πυρήνα αποτελεί ένα τεράστιο βήμα για τον τομέα.

Η ανακάλυψη αυτή αναδεικνύει για άλλη μια φορά την αξία της θεμελιώδους έρευνας. Συχνά αναρωτιόμαστε ποια είναι η πρακτική χρησιμότητα της κατανόησης του σχήματος ενός πυρήνα νέου. Η απάντηση βρίσκεται στη βαθιά κατανόηση του Σύμπαντος. Όσο περισσότερα μαθαίνουμε για τη δομή της ύλης σε αυτό το επίπεδο, τόσο πιο έτοιμοι είμαστε να αντιμετωπίσουμε ερωτήματα για τη φύση των δυνάμεων που κυβερνούν τον κόσμο μας.