Sciencemag.cz
Doporučujeme
Izotop olova Pb-208 má zajímavě uspořádané atomové jádro. Je bohaté na neutrony, obsahuje 82 protonů a 126 neutronů. Co se týče vlastní struktury, střed jádra je tvořen jak protony, tak neutrony, ale na jeho okraji je rozptýlená slupka („kůže“, skin) převážně z neutronů.
Na základě studia srážek těžkých iontů na urychlovači LHC v CERNu nyní vědci určili tloušťku neutronové slupky izotopu Pb-208 na 0,217±0,058 femtometru. Autoři nové studui použili celkem 670 datových bodů získaných z 1. a 2. běhu urychlovače LHC, většinou z experimentu ALICE, přičemž některá data pocházejí také z experimentů ATLAS a CMS. Nové výsledky jsou celkem v souladu s předchozími měřeními pomocí jiných metod. (Podobný – alespoň řádově – výsledek 0,283±0,071 fm získal v roce 2021 projekt Lead Radius Experiment v Thomas Jefferson National Accelerator Facility ve Virginii. V tomto případě byly použity techniky využívající elektroslabou interakci.)
Výzkum neutronové slupky může pomoci prohloubit naše chápání kvantové chromodynamiky, tedy toho, jak se chovají kvarky a gluony (výměnné částice silné interakce) v jádře. V astrofyzice bychom díky těmto znalostem zase mohli lépe chápat strukturu neutronových hvězd.
Změřit tloušťku neutronové slupky není snadné. Zatímco strukturu protonů v jádře lze určit pomocí rozptylu elektronů, neutrony nemají elektrický náboj, a proto elektrony neovlivňují stejným způsobem jako protony. Na neutrony však silně působí silná jaderná interakce, která v jádrech atomů váže dohromady kvarky a gluony.
V urychlovači LHC jsou svazky těžkých iontů vystřelovány v opačných směrech a srážejí se při vysokých energiích. Tato jádra jsou pak smrštěna až 2500krát, tedy „rozmačkána“ na plochou placku pohybující se rychlostí blízkou rychlosti světla.
V okamžiku srážky se v důsledku obrovské energie a tlaku ve srážejících se jádrech gluony, které drží pohromadě kvarky uvnitř nukleonů, vytrhnou a vznikne kvark-gluonové plazma s volnými kvarky. Předpokládá se, že právě z kvark-gluonového plazmatu se skládal vesmír krátce po velkém třesku, tato forma hmoty se může nacházet také v jádrech neutronových hvězd.
S poklesem tlaku a teploty v urychlovači LHC se kvark-gluonové plazma rozpadá na částice, které je již možné přímo sledovat pomocí detektorů. Zpětně lze pak dopočítat vlastnosti plazmatu a z toho pak i strukturu původního jádra včetně tloušťky neutronové slupky.
„Výsledek unikátním způsobem propojuje výzkum fyziků ze zdánlivě vzdálených oblastí,“ uvádí Giuliano Giacalone z Heidelberské univerzity, jeden z autorů studie. „Spojuje výzkum srážek jader o vysokých energiích, neutronových hvězd a struktury atomových jader.“
Při srážce jader olova (vlevo) ovlivňuje rozložení neutronů tvar a velikost vzniklé hmoty v kvark-gluonovém plazmatu (uprostřed) a zanechává měřitelné otisky v rozložení detekovaných částic (vpravo). Credit: CERN
Giuliano Giacalone et al, Determination of the Neutron Skin of Pb208 from Ultrarelativistic Nuclear Collisions, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.202302
Zdroj: CERN/Phys.org
