Теория и эксперимент сошлись в описании зарядового радиуса изотопов никеля

Физики изучили распределение заряда в 12 различных изотопах никеля и сравнили свои измерения с предсказаниями теоретических моделей. Выработка изотопов и их изучение проводили на установке ISOLDE в ЦЕРН, с помощью которой ученые впервые измерили зарядовый радиус такого набора ядер. Исследователи показали, какие теоретические модели позволяют описать полученные результаты, а какие расходятся с измерениями. Авторы работы считают, что разработанный метод позволит проверить на прочность существующие теоретические модели атомного ядра и выбрать наиболее точную из них на широком диапазоне массовых чисел. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Теоретическое описание ядер с большим количеством нуклонов — крайне сложная задача. В первую очередь такая сложность обусловлена неоднозначностью решения задачи взаимодействия большого числа тел. Само по себе сильное взаимодействие, которое формирует связь между нуклонами в ядре, также трудно теоретически обобщить на взаимодействие большого числа частиц. Все это часто вынуждает физиков использовать для теоретического описания ядер приближенные методы, которые далеко не всегда гарантируют совпадение с экспериментом. К таким методам относится, к примеру, теория функционала плотности. С другой стороны, важной задачей в ядерной физике является теоретическое описание ядер без привлечения дополнительных предположений или моделей, а исходя из первичных законов взаимодействия нуклонов в ядре, то есть методом ab initio.

Для сравнения предсказаний теории с реальным положением дел очень удобно использовать электромагнитные свойства ядер, в частности — зарядовый радиус ядра. Он характеризует радиус сферы, в которой сконцентрированы протоны ядра, и может быть с высокой точностью измерен в эксперименте. Сделать это можно облучая изучаемые ядра (или атомы) электронами или фотонами. В первом случае о зарядовом радиусе ядра можно судить по тому, как эти электроны рассеиваются на ядре. Во втором же случае данный радиус можно вычислить по изотопическим сдвигам спектральных уровней изучаемых изотопов. Так или иначе, оба метода основаны на хорошо изученном электромагнитном взаимодействии, а значит обладают высокой точностью. Это позволяет использовать их для тестирования теорий атомного ядра, сравнивая предсказания по зарядовому радиусу различных ядер с экспериментом.

Именно такое сравнение для целого ряда изотопов никеля впервые осуществил Стефан Мальбрюно-Эттенауэр (Stephan Malbrunot-Ettenauer) из ЦЕРН вместе с коллегами. До этого момента никель был единственным «магическим» ядром (то есть ядром с какой-либо полностью заполненной оболочкой) с зарядом до 50, зарядовый радиус для большого числа изотопов которого еще не был измерен. При этом магические ядра особенно привлекательны для экспериментального изучения, ведь большая энергия связи их нуклонов делает их более стабильными. Теперь же экспериментальное измерение зарядового радиуса изотопов никеля с массовыми числами 58 — 68 и 70 провели на установке ISOLDE в ЦЕРН. Сами изотопы ученые получали, облучая цель из карбида урана протонами с энергией 1.4 гигаэлектронвольт. Затем с полученных атомов сдирались электроны путем резонансной лазерной ионизации, а после массового сепаратора пучки ионов с определенной массой отправляли в охладитель и банчер ISCOOL, где они накапливались в течение 10-100 миллисекунд.

Наконец, пучки нейтральных изотопов никеля, электроны которым вернули с помощью калиевого пара, направлялись на измерение в атомах энергии перехода электрона между определенными энергетическими уровнями методом лазерной спектроскопии. Разница между частотами фотонов, рождаемых в данном переходе в различных изотопах никеля, позволяла связать зарядовый радиус ядра этого изотопа с референтной точкой — зарядовым радиусом ядра никеля-60, измеренным ранее. Такой метод применим благодаря теоретической модели высокой точности, которая позволяет теоретически связать измеряемый изотопический сдвиг и разницу в зарядовых радиусах изотопов.

Также физики впервые сравнили экспериментальные измерения зарядового радиуса такого числа изотопов никеля с теоретическими предсказаниями сразу трех ab initio техник на основе схем двухнуклонного и трехнуклонного взаимодействий, описываемых киральной эффективной теорией поля. Ученые показали, что метод описания ядерного потенциала NNLO_stat позволяет с высокой точностью предсказать результаты экспериментов в случае всех трех ab initio техник, в то время как два других метода сильно занижают абсолютный зарядовый радиус изученных изотопов. Кроме того, исследователи сравнили результаты эксперимента с двумя методами вычисления зарядового радиуса с помощью теории функционала плотности. Оказалось, что вычисления с помощью метода на основе функционала Скирме совпадают с результатами эксперимента, в то время вычисления на основе функционала Фаянса расходятся с экспериментальными измерениями. Авторы работы считают, что использованные ими методы позволят и в будущем тестировать различные ядерные модели в стремлении к созданию теоретического метода, который смог бы описать экспериментально измеренные характеристики ядер в широком диапазоне массовых чисел.

Ядро никеля — не единственное магическое ядро, интересующее физиков. К примеру, недавно физики нашли изотоп магния, который нарушает магическое правило для этого элемента, а та же установка ISOLDE подтвердила магичность олова-132.