Άτομο με πυρήνα σε σχήμα αχλαδιού - Η ανακάλυψη ίσως δώσει εξηγήσεις για το Σύμπαν. Exotic Atoms Hold Clues to Unsolved Physics Puzzle at the Dawn of the Universe

Γραφική αναπαράσταση του πυρήνα του ράδιου-224. Οι ερευνητές τον παρομοιάζουν με αχλάδι. A graphical representation of the pear-shaped nucleus of an exotic atom. The shape of the nucleus could give clues to why the universe contains more matter than antimatter. (Credit: Liam Gaffney and Peter Butler, University of Liverpool)

Η δημιουργία ενός ατόμου του οποίου ο πυρήνας έχει ένα ασυνήθιστο σχήμα αχλαδιού ίσως βοηθήσει στη βελτίωση των μοντέλων της πυρηνικής φυσικής. Επιπλέον, όμως, δεν αποκλείεται να βοηθήσει και στην επίλυση ενός από τα μεγαλύτερα προβλήματα στην κοσμολογία: πού πήγε η χαμένη αντιύλη του Σύμπαντος;

Οι πυρήνες

Οι πυρήνες των ατόμων αποτελούνται από νετρόνια και πρωτόνια. Τα πρωτόνια έχουν θετικό φορτίο και απωθούνται μεταξύ τους, συγκρατούνται όμως ενωμένα στον πυρήνα χάρη στη λεγόμενη ισχυρή πυρηνική δύναμη.

Οι πυρήνες των περισσότερων ατόμων θεωρείται ότι έχουν σχήμα σφαίρας ή μπάλας του ράγκμπι, ωστόσο ορισμένα μαθηματικά μοντέλα δείχνουν ότι ορισμένοι πρέπει να έχουν ένα είδος εξογκώματος και να μοιάζουν με αχλάδι.

Το σχήμα αυτό καθορίζεται από τις αλληλεπιδράσεις των δυνάμεων που ασκούνται μέσα στον πυρήνα. Οι ίδιες όμως αλληλεπιδράσεις επηρεάζουν τη σύσταση και τη δομή του Σύμπαντος, οπότε η μελέτη του πυρήνα θα μπορούσε να ανοίξει παράθυρο και σε άλλους τομείς της φυσικής.

To πρόβλημα είναι ότι, από πειραματική άποψη, το σχήμα του πυρήνα είναι δύσκολο να μετρηθεί και πρέπει να υπολογίζεται κατά προσέγγιση. Και αυτό σημαίνει ότι είναι δύσκολη η επιβεβαίωση ή διάψευση των προτεινόμενων μοντέλων για το σχήμα του πυρήνα.

Το ισότοπο

Representative γ-ray spectra following the bombardment of 2 mg cm−2 60Ni and 120Sn targets by 220Rn and 224Ra.

Διεθνής ερευνητική ομάδα ανακοινώνει τώρα ότι δημιούργησε ένα ισότοπο του στοιχείου ράδιου, του οποίου ο πυρήνας δείχνει να έχει ένα εξόγκωμα.  Το ράδιο-224 δημιουργήθηκε όταν μια δέσμη πρωτονίων σε επιταχυντή του CERN βομβάρδισε μια πλάκα από ουράνιο. Στη συνέχεια το ισότοπο αναγκάστηκε να διεγερθεί απορροφώντας ενέργεια, την οποία απελευθέρωσε αμέσως μετά υπό τη μορφή ακτίνων γάμμα. Και η ακτινοβολία αυτή επέτρεψε στους ερευνητές να υπολογίσουν το σχήμα του πυρήνα. Τα αποτελέσματα δημοσιεύονται στο «Nature».

Ο πυρήνας του ράδιου-224 φέρει ένα εξόγκωμα επειδή τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια απωθούνται από το κέντρο λόγω των πυρηνικών δυνάμεων.

Όπως εξηγεί ο Τιμ Τσαπ του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν, μέλος της ερευνητικής ομάδας, «το σχήμα αχλαδιού είναι πολύ ιδιαίτερο. Σημαίνει ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια από τα οποία αποτελείται ο πυρήνας βρίσκονται σε ελαφρώς διαφορετικές θέσεις κατά μήκος ενός εσωτερικού άξονα».

Η μελέτη

Professor Peter Butler: “Our findings contradict some nuclear theories and will help refine others”

Το ενδιαφέρον όμως της μελέτης δεν περιορίζεται στην πυρηνική φυσική. Οι αλληλεπιδράσεις στο εσωτερικό του πυρήνα θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην επίλυση ορισμένων προβλημάτων τα οποία αφήνει αναπάντητα το λεγόμενο Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής.

Το Μοντέλο προβλέπει ότι κατά τη δημιουργία του Σύμπαντος πρέπει να σχηματίστηκαν ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης. Αυτό όμως δεν φαίνεται να ισχύει, αφού το Σύμπαν όπως το γνωρίζουμε αποτελείται ουσιαστικά εξ ολοκλήρου από κανονική ύλη. Η εξήγηση αυτής της παρατηρούμενης «ασυμμετρίας» ύλης και αντιύλης είναι ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα της σύγχρονης φυσικής.

Η νέα μελέτη ίσως βοηθήσει να επιβεβαιωθούν ή να διαψευστούν διάφορες θεωρητικές προεκτάσεις του Καθιερωμένου Μοντέλου που εξηγούν την ασυμμετρία. Συγκεκριμένα, ο πυρήνας του ράδιου-224 ίσως δημιουργεί ένα ασθενές ηλεκτρικό δίπολο που οφείλεται στην ασύμμετρη κατανομή φορτίων. Η ανακάλυψη και η μελέτη ενός τέτοιου δίπολου θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για οριστικές απαντήσεις.