Физики-ядерщики сделали открытие, которое бросает пониманию силы во Вселенной

Открытие группой исследователей во главе с Университетом Массачусетса Лоуэллские физики-ядерщики могут изменить то, как ученые понимают атомы, и помочь объяснить экстремальные явления в космосе.

Прорыв исследователей показал, что симметрия, которая существует внутри ядра атомов, не так фундаментальна, как полагают ученые. Это открытие проливает свет на силы, действующие внутри ядра атомов, открывая дверь для лучшего понимания вселенной. Результаты были опубликованы в издании Nature, одном из ведущих мировых научных журналов.

Открытие было сделано, когда команда под руководством Умасса Лоуэлла работала над тем, чтобы определить, как атомные ядра создаются при рентгеновских вспышках – взрывах, которые происходят на поверхности нейтронных звезд, которые являются остатками массивных звезд в конце их жизни.

“Мы изучаем, что происходит внутри ядер этих атомов, чтобы лучше понять эти космические явления и, в конечном счете, ответить на один из самых больших вопросов в науке, как химические элементы создаются во Вселенной”, – сказал Эндрю Роджерс, ассистент UMass Lowell профессор физики, который возглавляет исследовательскую группу.

Исследование поддержано грантом в размере 1,2 миллиона долларов США от Министерства энергетики США для UMass Lowell и было проведено в Национальной лаборатории сверхпроводящих циклотронов (NSCL) в Университете штата Мичиган. В лаборатории ученые создают экзотические атомные ядра, чтобы измерить их свойства, чтобы понять их роль в качестве строительных блоков материи, космоса и самой жизни.

Атомы являются одними из самых маленьких единиц материи. Каждый атом включает электроны, вращающиеся вокруг крошечного ядра глубоко внутри его ядра, которое содержит почти всю его массу и энергию. Атомные ядра состоят из двух почти идентичных частиц: заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Количество протонов в ядре определяет, к какому элементу относится атом в периодической таблице и, следовательно, его химический состав. Изотопы элемента имеют одинаковое количество протонов, но различное количество нейтронов.

В NSCL ядра были ускорены почти до скорости света и разбиты на фрагменты с образованием стронция-73 – редкого изотопа, который не встречается в природе на Земле, но может существовать в течение коротких периодов времени во время сильных термоядерных рентгеновских вспышек на поверхность нейтронных звезд. Этот изотоп стронция содержит 38 протонов и 35 нейтронов и живет всего лишь доли секунды.

Работая круглосуточно в течение восьми дней, команда создала более 400 ядер стронция-73 и сравнила их с известными свойствами брома-73, изотопа, который содержит 35 протонов и 38 нейтронов. При взаимном изменении числа протонов и нейтронов ядра брома-73 считаются “зеркальными партнерами” ядер стронция-73. Зеркальная симметрия в ядрах существует из-за сходства между протонами и нейтронами и лежит в основе понимания учеными ядерной физики.

Примерно каждые полчаса исследователи создавали одно ядро ​​стронция-73, транспортировали его через изотопный сепаратор NSCL и затем останавливали ядро ​​в центре сложной матрицы детекторов, где они могли наблюдать за его поведением. Изучив радиоактивный распад этих ядер, ученые обнаружили, что стронций-73 вел себя совершенно иначе, чем бром-73. По словам Роджерса, это открытие поднимает новые вопросы о ядерных силах.

!Стронций-73 и бром-73 должны выглядеть одинаково по структуре, но на удивление это не так, как мы и обнаружили. Зондирование симметрий, которые существуют в природе, является очень мощным инструментом для физиков. Когда симметрия нарушается, это говорит нам о том, что что-то не так в нашем понимании, и мы должны присмотреться”, – сказал Роджерс.

По словам Дэниела Хоффа, научного сотрудника UMass Lowell, который был ведущим автором статьи, опубликованной в журнале Nature, то, что увидели ученые, бросит вызов ядерной теории.

“Сравнение ядер стронция-73 и брома-73 – это было все равно, что смотреть в зеркало и не узнавать себя. Как только мы убедились, что то, что мы видим, было реальным, мы были очень взволнованы”, – сказал Хофф.

В рамках исследования, современные теоретические расчеты были выполнены Симином Вангом, научным сотрудником в штате Мичиган, под руководством Витольда Назаревича, заслуженного профессора физики и главного ученого в Университете Джона А. Ханны из МГУ.

Работа исследователей “предлагает уникальную информацию о структуре редких изотопов”, – сказал Назаревич. – “Но многое еще предстоит сделать. Новые объекты, которые появятся в сети, такие как FRIB в МГУ, предоставят недостающие подсказки для более глубокого понимания головоломки зеркальной симметрии. Я рад, что экзотические балки, поставляемые нашим оборудованием, уникальные приборы и теоретические расчеты, могут внести вклад в эту великолепную работу”.

Планы новых экспериментов уже ведутся, поскольку исследователи стремятся уточнить и подтвердить свои наблюдения и продолжить изучение этих изотопов.