Wyjątkowo rzadka obserwacja „tenisowych” drgań ołowiu

Po odbiciu od rakiety piłka tenisowa zniekształca się. Przez chwilę ściska się i rozciąga wzdłuż kierunku ruchu. Ślady podobnych drgań zachodzących w jądrach ołowiu 208Pb wytropili niedawno naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie. Jedyna wcześniejsza obserwacja podobnego zjawiska liczy ponad 30 lat. 

20220217_drganiaolow_bg.jpg

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.

Unikatowy eksperyment, opisany na łamach czasopisma „Physical Review C”, przeprowadzono w Centrum Cyklotronowym Bronowice (należącym do instytutu). Jądra atomów ołowiu 208Pb wzbudzono zderzeniami z protonami. Fizycy wykonali serię wyrafinowanych pomiarów kwantów gamma, a zebrane dane potwierdziły, że w jądrach zachodzą „tenisowe” drgania. 

„Możliwość obserwowania w naszym ośrodku subtelnych oscylacji jąder ołowiu 208Pb 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 Instytutu Fizyki Jądrowej PAN (IFJ PAN). 

Cenne kwanty gamma 

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 właśnie kwanty gamma niosą najcenniejszą informację o budowie jądra atomowego. 

Rozpady gamma w jądrach „zimnych” 

„Nasz międzynarodowy zespół specjalizuje się w obserwacjach rozpadów z emisją kwantów gamma szczególnych wzbudzeń jądra, znanych jako gigantyczne rezonanse” – opowiada dr hab. Maria Kmiecik (IFJ PAN) i dodaje: „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”. 

Czym są gigantyczne rezonanse 

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

Gigantyczne rezonanse występują w dwóch podstawowych odmianach. 

  1. Gigantyczny rezonans dipolowy (GDR) – protony i neutrony w jądrze oscylują względem siebie. Jako całość powierzchnia jądra nie zmienia wtedy kształtu, jedynie wpada w wibracje. 
  1. Gigantyczny 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 tuż po odbiciu od rakiety, przez chwilę ściskającej się i rozciągającej wzdłuż kierunku ruchu. 

Skala trudności 

„Detekcja kwantów gamma emitowanych przez wzbudzone jądra ołowiu 208Pb 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” – tłumaczy dr Barbara Wasilewska z IFJ PAN. 

30 lat od pierwszej obserwacji 

Rezultaty otrzymane przez fizyków w Krakowie znakomicie współgrają z wynikami eksperymentu sprzed 30 lat. 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 drgania powierzchni ciężkich jąder atomowych można używać nawet znacznie lżejszych protonów. 

Rozgrzewka przed kolejnymi eksperymentami 

Krakowskie pomiary to wstęp do serii bardziej wyrafinowanych eksperymentów dotyczących podobnych zjawisk w innych jądrach atomowych. Zespół pracujący w Centrum Cyklotronowym Bronowice rozpoczął już kolejne działania, 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, które wciąż umykają przewidywaniom teoretyków. 

Publikacja naukowa 

„γ decay to the ground state from the excitations above the neutron threshold in the 208Pb(p,p′γ) reaction at 85 MeV”, B. Wasilewska et al. Physical Review C 105, 014310, 2022 

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

Źródło informacji i zdjęcia: Instytut Fizyki Jądrowej PAN