Precyzyjna obserwacja zjawisk zachodzących w jądrach atomowych, zwłaszcza stanów o wysokich energiach, to zadanie ekstremalnie trudne zarówno od strony technicznej, jak i teoretycznej. Istnieją jednak odmiany wysoko położonych w energii wzbudzeń jąder atomowych, które z uwagi na swoją specyficzną strukturę mogą być obserwowane i interpretowane z dużą dokładnością.

Europejski zespół fizyków przeprowadził serię pomiarów takich stanów w Centrum Cyklotronowym Bronowice w Krakowie. Wiązkę protonów z akceleratora skierowano tam na na tarcze węgla 13C. O wynikach naukowcy poinformowali w artykule opublikowanym w czasopiśmie „Physics Letters B” https://doi.org/10.1016/j.physletb.2022.137398. O wynikach badań poinformowali w przesłanym PAP komunikacie przedstawiciele IFJ PAN.

„Nasz najnowszy rezultat dotyczy szczególnego rodzaju wzbudzeń jąder atomowych węgla 13C. Wzbudzenia te, fachowo nazywane rozciągniętymi stanami rezonansowymi, z wielu względów przyciągają zainteresowanie fizyków, zwłaszcza astrofizyków”- mówi prof. dr hab. Bogdan Fornal i z IFJ PAN (razem z prof. Silvią Leoni z Universita degli Studi di Milano i INFN Sezione di Milano we Włoszech zaproponował tę tematykę badań). Dodaje, że dzięki powodzeniu tych badań będzie można teraz przeprowadzić serię kolejnych pomiarów, by jeszcze lepiej poznać własności jąder atomowych innych lekkich izotopów.

Zachowania jąder atomowych wzbudzonych do wysokich energii są wyjątkowo trudne do obserwacji, ponieważ cząstki tworzące jądra wchodzą w skomplikowane oddziaływania angażujące aż trzy z czterech rodzajów sił występujących w przyrodzie: silne, słabe i elektromagnetyczne.

„Tymczasem jądro znajdujące się w stanie energetycznym nazywanym rozciągniętym można sobie wyobrażać jako układ, w którym pod wpływem zderzenia z protonem z zewnątrz tylko jeden proton lub jeden neutron jądra pokonuje szczelinę energetyczną i przenosi się do stanu energetycznego leżącego w tak zwanym kontinuum energetycznym” - opisuje dr Natalia Cieplicka-Oryńczak (IFJ PAN), po czym precyzuje: „W kontinuum różne stany energetyczne jądra mogą na siebie nachodzić, co radykalnie utrudnia opis zachodzących zjawisk i ich zrozumienie, a w konsekwencji także interpretowanie danych z eksperymentów. Stany rozciągnięte są więc tak istotne, ponieważ na energetycznej drabince powłok energetycznych w jądrze atomowym to jedne z najwyższych miejsc, gdzie jeszcze można prowadzić względnie proste i jednocześnie precyzyjne obserwacje”.

W tym kontekście do głównych zalet „rozciągniętych” stanów energetycznych w lekkich jądrach atomowych należy względna prostota ich opisu teoretycznego. Dzięki temu można sprawnie budować modele teoretyczne wyjaśniające to, co zaszło w trakcie eksperymentu. “Znakomita zgodność teorii z doświadczeniem stanowi dowód, że wiedzę zdobytą dzięki obserwacjom rozciągniętych stanów jądrowych należy uznać za wiarygodną” - komentują autorzy komunikatu.

Dzięki pomiarom w krakowskim akceleratorze, sfinansowanym ze środków Narodowego Centrum Nauki, udało się w bezpośredni sposób ustalić, że jądro węgla 13C z badanego stanu rozciągniętego rozpada się na dwa podstawowe sposoby, nazywane kanałami. W kanale występującym najczęściej jądro emituje proton i przekształca się w bor 12B, który następnie emituje kwant gamma. W drugim kanale powstaje węgiel 12C, czemu towarzyszy emisja neutronu (którego w doświadczeniu jednak nie rejestrowano) oraz kwantu gamma.

Z uwagi na znaczenie badań dla rozumienia różnorodnych procesów jądrowych, seria eksperymentów w Centrum Cyklotronowym Bronowice IFJ PAN będzie kontynuowana. Obiektami zainteresowania fizyków staną się teraz jądra atomowe azotu 14N i węgla 12C. W niedalekiej przyszłości podjęta zostanie także próba znalezienia rozciągniętych stanów jądrowych w borze 11B, których istnienie nie było dotychczas jednoznacznie udokumentowane.