Οι πυρηνικοί φυσικοί, χρησιμοποιώντας «μαγικούς» πυρήνες σε ένα πρόσφατο πείραμα στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή Thomas Jefferson των ΗΠΑ (Jefferson Lab), ανακάλυψαν έναν απροσδόκητο κανόνα που καθορίζει πώς τα πρωτόνια και τα νετρόνια σχηματίζουν σύντομα ζευγάρια μέσα στον ατομικό πυρήνα.
Η μελέτη, η οποία δημοσιεύθηκε στο περιοδικό «Nature», αποκαλύπτει ότι οι κβαντικές επιδράσεις του φλοιού παίζουν πολύ πιο καθοριστικό ρόλο από ό,τι πιστευόταν μέχρι σήμερα.
Το μυστήριο των συσχετίσεων μικρής εμβέλειας
Η έρευνα επικεντρώνεται στο φαινόμενο των συσχετίσεων μικρής εμβέλειας (Short-Range Correlations – SRCs). Πρόκειται για την κατάσταση όπου δύο νουκλεόνια (είτε ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο, είτε δύο πρωτόνια, είτε δύο νετρόνια) πλησιάζουν πολύ κοντά το ένα στο άλλο και σχηματίζουν ένα φευγαλέο, ταχύτατα κινούμενο ζευγάρι.
Παλαιότερα πειράματα είχαν δείξει ότι στους πυρήνες με περίσσεια νετρονίων, τα πρωτόνια έτειναν να ζευγαρώνουν πολύ πιο συχνά. Ωστόσο, οι επιστήμονες δεν μπορούσαν να ξεκαθαρίσουν ποια ακριβώς μεταβλητή προκαλούσε αυτή τη συμπεριφορά: η συνολική μάζα του πυρήνα ή η αναλογία πρωτονίων-νετρονίων;
Το πείραμα «CaFe» και οι μαγικοί πυρήνες
Για να απομονώσουν τις μεταβλητές, οι φυσικοί στράφηκαν στη δομή των φλοιών του πυρήνα, όπου τα πρωτόνια και τα νετρόνια οργανώνονται σε συγκεκριμένα επίπεδα ενέργειας, όπως ακριβώς τα ηλεκτρόνια γύρω από το άτομο. Όταν ένας εξωτερικός φλοιός γεμίζει πλήρως, ο πυρήνας ονομάζεται «μαγικός», ενώ αν γεμίσουν πλήρως οι φλοιοί και των δύο σωματιδίων, ονομάζεται «διπλά μαγικός».
Η ομάδα σχεδίασε το πείραμα CaFe, το οποίο πήρε το όνομά του από τα στοιχεία που μελετήθηκαν: το Ασβέστιο (Ca) και τον Σίδηρο (Fe). Συγκεκριμένα, συνέκριναν τρεις πυρήνες. Το Ασβέστιο-40 είναι διπλά μαγικός πυρήνας με 20 πρωτόνια και 20 νετρόνια. Το Ασβέστιο-48 είναι επίσης διπλά μαγικός πυρήνας με 20 πρωτόνια και 28 νετρόνια, έχοντας δηλαδή 8 επιπλέον νετρόνια. Ο Σίδηρος-54 είναι μαγικός πυρήνας με 26 πρωτόνια και 28 νετρόνια, έχοντας 6 επιπλέον πρωτόνια.
Η μεγάλη ανατροπή των αποτελεσμάτων
Η σύγκριση των πυρήνων έκρυβε εκπλήξεις που ανέτρεψαν τις υπάρχουσες θεωρίες. Σύμφωνα με τη θεωρία της κυριαρχίας των νετρονίων, η προσθήκη 40% περισσότερων νετρονίων (από το Ασβέστιο-40 στο Ασβέστιο-48) θα έπρεπε να αυξήσει κατακόρυφα τον σχηματισμό ζευγαριών. Αντίθετα, η αύξηση ήταν μόλις 10%.
Η δεύτερη έκπληξη ήρθε κατά τη σύγκριση του Ασβεστίου-48 με τον Σίδηρο-54. Με βάση την απλή καταμέτρηση σωματιδίων, η προσθήκη έξι πρωτονίων (αύξηση 30%) αναμενόταν να φέρει μια ανάλογη αύξηση στα ζευγάρια SRC. Το αποτέλεσμα όμως έδειξε μια εντυπωσιακή αύξηση της τάξης του 54%.
«Δε φταίει ούτε η μάζα, ούτε η απλή περίσσεια νετρονίων», εξηγεί ο Larry Weinstein, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο Old Dominion. «Πρόκειται για τη δομή του φλοιού και για καθαρά κβαντικά φαινόμενα. Τα οκτώ επιπλέον νετρόνια στον εξωτερικό φλοιό του Ασβεστίου-48 δεν συνδέονται εύκολα με τα πρωτόνια των εσωτερικών φλοιών. Αν όμως προσθέσουμε έξι πρωτόνια στον ίδιο ακριβώς εξωτερικό φλοιό, αυτά συνδέονται εξαιρετικά καλά με τα εκεί νετρόνια».
Ο Or Hen, καθηγητής φυσικής στο MIT, συμπληρώνει:
«Ανακαλύψαμε νέους κβαντικούς κανόνες επιλογής για το ποια σωματίδια μπορούν να ζευγαρώσουν. Αυτό ήταν εντελώς άγνωστο μέχρι σήμερα».
Πώς διεξήχθη η έρευνα
Το πείραμα διήρκεσε συνολικά οκτώ ημέρες, με τα κρίσιμα δεδομένα να συγκεντρώνονται σε μόλις τέσσερις ημέρες στον επιταχυντή CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility). Μια δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας (10,5 GeV) κατευθύνθηκε πάνω σε στόχους Ασβεστίου, Σιδήρου, Χρυσού και άλλων ελαφρύτερων στοιχείων.
Τα ηλεκτρόνια που αναπήδησαν και τα πρωτόνια που αποσπάστηκαν από τους στόχους καταγράφηκαν από φασματόμετρα υψηλής ακρίβειας, επιτρέποντας στους επιστήμονες να αναλύσουν τις ορμές και τα χαρακτηριστικά των ζευγαριών με πρωτοφανή ακρίβεια.
Η ερευνητική κοινότητα εργάζεται ήδη πάνω στην ανάλυση των δεδομένων από τα ελαφρύτερα στοιχεία του πειράματος, ενώ τα νέα ευρήματα αναμένεται να αλλάξουν τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες προσομοιώνουν τα πυρηνικά συστήματα και κατανοούν τη συμπεριφορά της πυκνής ύλης στο σύμπαν, όπως στα άστρα νετρονίων.