Физики разгадали загадку атомных ядер, которые умеют существовать сразу в нескольких формах — как хамелеоны микромира. Особенно это заметно у нейтронодефицитных изотопов в районе ртути-172. Новое исследование показало, что ядра могут быть вытянутыми, сплюснутыми или вообще принимать причудливые асимметричные формы — и все это одновременно.

Результаты опубликованы в издании Nuclear Science and Techniques.

Возьмем платину-170: ее основное состояние напоминает мяч для регби (пролатное), но у нее есть и «двойники» — изомеры в виде сплющенного диска (облатное) и нечто среднее (триаксиальное). А вот ртуть-172 и вовсе ведет себя как пластилин: при усилении парных взаимодействий между нуклонами она меняет форму с триаксиальной на сплюснутую. Удивительно, но в этом ядре уживаются сразу три изомера — редкий случай, когда ядро словно застывает в разных позах.

Парные взаимодействия — силы, связывающие нуклоны (протоны и нейтроны) в пары внутри ядра, подобно тому, как электроны образуют куперовские пары в сверхпроводниках. Они стабилизируют ядро и влияют на его форму: чем сильнее взаимодействия, тем чаще ядро «предпочитает» симметричные состояния.

Свинец-174, в отличие от ртути, с ростом парных сил стремится к идеальной шарообразности, теряя склонность к изомерии. Ученые смоделировали эти превращения, используя комбинацию моделей: капельную Лублин-Страсбурга и Юкавского потенциала. Они сравнили два подхода — точный расчет парных сил и упрощенный метод БКШ (Бардина-Купера-Шриффера). Оказалось, БКШ «размазывает» тонкие эффекты, делая изомеры менее выраженными.

Наша модель показывает, насколько форма ядра зависит от взаимодействий между нуклонами, — поясняет ведущий автор. — Это как если бы вы держали в руках глину, которая меняет очертания от малейшего нажатия.

Исследование охватило и другие изотопы платины — от 170Pt до 180Pt. Четкая закономерность: чем легче изотоп, тем больше он стремится к вытянутой форме, средние — к асимметричной, а тяжелые снова возвращаются к пролатной деформации. Это доказывает, что парные взаимодействия и оболочечные эффекты управляют ядерными формами, особенно вдали от магических чисел.

Что это дает

• Лучшее понимание ядерных структур для создания новых материалов.
• Точные модели для экспериментов на ускорителях, где изучают экзотические ядра.
• Возможность уточнить процессы нуклеосинтеза в звездах.

Мы нащупали новые закономерности, которые не вписываются в старые теории, — говорят авторы. — Теперь можно точнее предсказывать, как ведут себя ядра в экстремальных условиях.

Этот труд — не просто академическая красота. Во-первых, он приближает нас к управлению ядерными изомерами, что критично для разработки компактных источников энергии (например, изомерные батареи). Во-вторых, понимание деформации ядер поможет точнее интерпретировать данные ускорителей, где рождаются сверхтяжелые элементы. Наконец, астрофизики смогут точнее моделировать синтез элементов в нейтронных звездах, где формы ядер определяют скорость реакций.

Отметим, что исследование опирается на макро-микроскопические модели, которые, несмотря на точность, все же упрощают квантовые эффекты. Например, не учитывается динамическая деформация — ядра в реальности могут «дышать», а не просто перескакивать между статичными формами. Кроме того, выводы о парных взаимодействиях требуют экспериментальной проверки: БКШ и „точный“ метод — всего лишь аппроксимации.

Ранее мы писали, как ученые пытаются приручить энергию Солнца.