IFJ: Wyjątkowo rzadka obserwacja „tenisowych” drgań ołowiu

Data dodania: czwartek, 17 lutego 2022, autor: nuclear.pl

Po zderzeniu z rakietą czy ścianą piłka tenisowa wykonuje kilka szybkich oscylacji, spłaszczając się i wydłużając wzdłuż kierunku ruchu. W Instytucie Fizyki Jądrowej PAN poprzez pomiar kwantów gamma
zarejestrowano ślady podobnych drgań zachodzących w jądrach ołowiu Pb-208 wzbudzonych zderzeniami z protonami. Jedyna wcześniejsza obserwacja analogicznego zjawiska liczy ponad trzydzieści lat.

Wśród szumów i zakłóceń kwantowego świata fizycy w Krakowie wytropili zjawisko wcześniej zaobserwowane tylko raz, na dodatek ponad trzy dekady temu. W serii wyrafinowanych pomiarów zebrali dane potwierdzające występowanie w jądrach atomów ołowiu Pb-208 oscylacji polegających na spłaszczaniu się i wydłużaniu powierzchni jądra wzdłuż ustalonego kierunku. Unikatowy eksperyment, opisany na łamach czasopisma „Physical Review C”, przeprowadzono w Centrum Cyklotronowym Bronowice, będącym częścią krakowskiego Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN).

- Możliwość obserwowania w naszym ośrodku subtelnych oscylacji jąder ołowiu Pb-208 wynika ze specyficznych cech tutejszego akceleratora Proteus C-235. Głównym zadaniem urządzenia jest bowiem napromieniowanie nowotworów, w tym nowotworów oka. Jedną z czterech linii akceleratora zaprojektowano jednak z myślą o badaniach fizycznych. Unikalność akceleratora wynika z zakresu energii dostarczanych przez niego protonów. Na świecie niemal wszystkie akceleratory dostępne dla fizyków nadają protonom energie albo wyraźnie mniejsze, albo wyraźnie większe niż nasz - wyjaśnia prof. dr hab. Adam Maj z IFJ PAN.

W cyklotronie Proteus protony mogą osiągać energie od 70 do 230 megaelektronowoltów (dla porównania: energia protonów w akceleratorze LHC bywa nawet setki tysięcy razy większa). Wzbudzone zderzeniem z
protonem, jądro ołowiu może się rozpaść na cząstki wtórne lub przejść do niższego stanu energetycznego, co jest połączone z emisją kwantu promieniowania gamma. Oba przypadki zasadniczo się różnią: energie cząstek wtórnych mogą być praktycznie dowolne, podczas gdy energie kwantów gamma muszą odpowiadać różnicom między konkretnymi stanami energetycznymi jądra. Wszystko to oznacza, że to właśnie kwanty gamma niosą najcenniejszą informację o budowie jądra atomowego.

- Nasz międzynarodowy zespół specjalizuje się w obserwacjach rozpadów z emisją kwantów gamma szczególnych wzbudzeń jądra, znanych jako gigantyczne rezonanse - mówi dr hab. Maria Kmiecik z IFJ PAN. - Dotychczas badaliśmy rozpady takich rezonansów w jądrach "gorących", czyli wzbudzonych do wysokich energii. Jednak obecnie, dzięki odpowiedniemu doborowi warunków eksperymentu i układu
pomiarowego, układowi detektorów gamma o wysokich energiach HECTOR z Uniwersytetu Mediolańskiego oraz zbudowanemu w Krakowie matrycowemu detektorowi rozproszonych protonów KRATTA, zdołaliśmy zobaczyć rozpady gamma rezonansów w jądrach 'zimnych', czyli wzbudzone na stanach podstawowych. Co jednak szczególnie istotne, udało się nam też zauważyć oscylacje jądra jako całości, będące efektem gigantycznego rezonansu kwadrupolowego - precyzuje.

Gdy pojedynczy proton o odpowiednio dobranej energii zderzy się z kulistym jądrem ołowiu 208Pb w tarczy, może je pobudzić do różnych oscylacji, zwłaszcza tych powiązanych z gigantycznymi rezonansami. Fizycy używają przymiotnika „gigantyczny” by podkreślić, że rezonanse tego typu pojawiają się znacznie częściej od innych.

Gigantyczne rezonanse występują w dwóch podstawowych odmianach. W przypadku gigantycznego rezonansu dipolowego (GDR) protony i neutrony w jądrze oscylują względem siebie. Jako całość powierzchnia jądra nie zmienia wtedy kształtu, jedynie wpada w wibracje. Dla odmiany rezonans kwadrupolowy (GQR) przejawia się pod postacią deformacji całej powierzchni jądra, które zaczyna naprzemiennie się spłaszczać i wydłużać wzdłuż pewnego kierunku. Zjawisko przypomina zniekształcenia piłeczki
tenisowej lub golfowej, tuż po odbiciu od rakiety bądź kija przez chwilę ściskającej się i rozciągającej wzdłuż kierunku odbicia.

- Detekcja kwantów gamma emitowanych przez wzbudzone jądra ołowiu Pb-208 nie należy do zadań prostych. W przypadku dużo łatwiejszego do wzbudzenia gigantycznego rezonansu dipolowego, rozpad z emisją gamma zdarza się mniej więcej sto razy rzadziej niż standardowo obserwowane rozpady przez cząstki. W przypadku rezonansu kwadrupolowego prawdopodobieństwo emisji kwantu gamma spada kolejne sto razy, przy czym obserwacje utrudnia fakt, że zjawisko to występuje na tle swojego prostszego kuzyna - przedstawia skalę trudności dr Barbara Wasilewska, dla której omawiane badania były tematem rozprawy doktorskiej w IFJ PAN.

Rezultaty otrzymane przez fizyków w Krakowie za pomocą dokładniejszej aparatury znakomicie współgrają z wynikami eksperymentu sprzed kilkudziesięciu lat, a jednocześnie niosą nową, jakościowo istotną informację. Naukowcy, którzy dawniej zarejestrowali wzbudzenie i rozpad gamma gigantycznego rezonansu kwadrupolowego, przeprowadzali swoje pomiary bombardując ołowiane tarcze za pomocą ciężkich jonów. Tymczasem obecny wynik jednoznacznie wskazuje, że do wprawienia w oscylacje powierzchni ciężkich jąder atomowych można używać nawet znacznie lżejszych protonów.

Choć wymagająca od strony technicznej i teoretycznej, obserwacja drgań związanych z deformacjami powierzchni jąder ołowiu 208Pb została zrealizowana jako swoista rozgrzewka, wstęp do długiego ciągu bardziej wyrafinowanych eksperymentów dotyczących podobnych zjawisk w innych jądrach atomowych. Zespół pracujący w ośrodku cyklotronowym w Bronowicach rozpoczął już kolejne pomiary, z jeszcze bardziej ulepszoną aparaturą: układ do pomiaru kwantów gamma zastąpiono układem detektorów nowej generacji PARIS. Szczególne zainteresowanie naukowców budzą rezonanse znane jako pigmejskie oraz oscylacje jąder atomowych o kształtach niesferycznych, których oscylacje wciąż umykają przewidywaniom teoretyków.

Badania zrealizowano z europejskich grantów programu Horizon 2020 (IDEAAL i ENSAR2) przy wsparciu grantu Narodowego Centrum Nauki.

Na zdjęciu wnętrze komory próżniowej do obserwacji oscylacji jąder atomów ołowiu. Tarcza z ołowiu 208Pb jest umieszczona w centrum zdjęcia między dwoma walcowymi detektorami promieniowania gamma. Wiązka protonów z cyklotronu PROTEUS nadlatuje z lewego dolnego rogu i uderza w tarczę. W prawym górnym rogu widoczne detektory rozproszonych protonów, fot. IFJ PAN