Nová spektroskopická metoda umožňuje přesnější srovnání velikosti atomových jader

Vědci představili novou metodu spektroskopie, která umožňuje přímé srovnání velikosti jader těžkých prvků. Jde o přístup, který by mohl přinést přesnější pohled na jednu ze základních fyzikálních veličin popisujících atomové jádro – takzvaný nukleární nábojový poloměr.

Velikost jádra totiž není jen číslo udávající jeho rozměr. Nábojový poloměr odráží to, jak jsou uvnitř jádra uspořádány protony a neutrony, a tím pádem vypovídá o vnitřní struktuře hmoty na nejzákladnější úrovni. Každá změna v tomto uspořádání – ať už jde o přidání jediného neutronu, nebo o posun v počtu protonů – se může projevit měřitelnou odchylkou ve velikosti jádra. Právě proto je přesné měření nábojového poloměru pro jaderné fyziky dlouhodobě cenným zdrojem informací.

Nová spektroskopická metoda si klade za cíl umožnit přímé porovnání velikosti jader napříč různými prvky nebo izotopy, aniž by bylo nutné spoléhat na složité a často nepřesné přepočty mezi různými experimentálními technikami. Taková přímá srovnatelnost dat je v jaderné fyzice vzácná a cenná, protože různé laboratoře a různé metody měření dosud často produkovaly výsledky, které bylo obtížné spojit do jednotného obrazu.

Zvláštní pozornost vědci věnují takzvaným deformovaným jádrům, mezi něž patří i jádra prvků vzácných zemin. Na rozdíl od jader, která mají přibližně kulový tvar, jsou deformovaná jádra protažená nebo zploštělá, podobně jako míč na americký fotbal nebo disk. Tato odchylka od kulové symetrie má přímý vliv na to, jak se v jádře rozkládá elektrický náboj, a tedy i na naměřenou hodnotu nábojového poloměru. Vzácné zeminy jsou pro studium deformace jader obzvlášť zajímavé, protože mezi jednotlivými izotopy v této oblasti periodické tabulky dochází k výrazným a dobře pozorovatelným změnám tvaru jádra.

Sledování toho, jak se nábojový poloměr mění napříč řetězcem izotopů, dává fyzikům nástroj k pochopení, kdy a proč jádro mění svůj tvar. Tyto přechody mezi kulovitými a deformovanými konfiguracemi souvisejí s jemnou rovnováhou sil uvnitř jádra a s rozmístěním nukleonů na jednotlivých energetických hladinách. Pochopení těchto mechanismů patří k dlouhodobým cílům jaderné fyziky, protože jaderná struktura ovlivňuje celou řadu dalších jevů – od stability izotopů až po procesy probíhající v nitru hvězd.

Přesnější a vzájemně porovnatelná data o velikosti jader by podle vědců mohla pomoci zpřesnit teoretické modely popisující chování atomových jader. Současné modely sice dokážou deformaci jader a změny nábojového poloměru do značné míry popsat, ale v detailech se často rozcházejí, zejména u těžších a exotičtějších izotopů, které je obtížné experimentálně zkoumat. Nová metoda spektroskopie by mohla tyto mezery zaplnit tím, že poskytne konzistentní soubor měření, s nímž bude možné teoretické předpovědi přímo konfrontovat.

Výzkum v této oblasti má význam nejen pro základní pochopení struktury hmoty, ale i pro širší kontext jaderné fyziky a astrofyziky. Znalost toho, jak se jádra deformují a jak se mění jejich velikost, souvisí například s procesy vzniku těžkých prvků ve vesmíru nebo s chováním jader v extrémních podmínkách, jaké panují například v neutronových hvězdách. Čím přesněji dokážou vědci popsat vnitřní strukturu jader běžných i exotických izotopů, tím lépe lze modelovat i jevy, které přímo pozorovat nelze.

Autoři nové metody zdůrazňují, že jejím hlavním přínosem je právě možnost přímého srovnání mezi různými jádry, což dosavadní techniky komplikovaly. Tím se otevírá prostor pro systematičtější mapování celých řad izotopů a pro hledání pravidelností, které by jinak zůstaly skryté v rozptylu dat pocházejících z různorodých metod měření. Další výzkum by měl ukázat, do jaké míry se nové poznatky promítnou do revize existujících jaderných modelů a zda pomohou vysvětlit dosud nejasné anomálie pozorované u některých izotopů vzácných zemin a dalších těžkých prvků.