Эксперименты на Большом адронном коллайдере показали, что форма ядра атома неона может напоминать кеглю для боулинга

Результаты последнего эксперимента на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе показывают, что внутренняя структура ядра неона-20 может быть не приблизительно сферической, как обычно описывается в традиционных учебниках, а скорее напоминать форму “кегли для боулинга”. Это открытие предоставляет новые экспериментальные данные для изучения деформации лёгких атомных ядер и коллективного поведения в высокоэнергетических ядерных столкновениях.

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, определяет элементные свойства атома и несёт большую часть его массы. Хотя атомное ядро часто упрощённо изображают как сферическую структуру, исследования в области ядерной физики показали, что некоторые ядра демонстрируют явно выраженную несферическую деформацию, например, грушевидные ядра, упомянутые в более ранних исследованиях. Точное понимание этих форм помогает физикам понять поведение атомных ядер в экстремальных условиях.

Из-за чрезвычайно малых размеров атомных ядер и того факта, что в обычных измерениях квантовые состояния усредняются по различным направлениям, непосредственно “увидеть” форму ядра в лабораторных условиях непросто. Большой адронный коллайдер предлагает другой подход: когда атомные ядра сталкиваются с высокой энергией, их начальная геометрическая структура влияет на характеристики потока вещества, образующегося в результате столкновения. Анализируя струи частиц и картины потоков, исследователи могут реконструировать внутреннюю форму ядра.

В данном исследовании коллаборация CMS сравнила данные по столкновениям кислорода-16 и неона-20, уделяя особое внимание различиям в потоках частиц после столкновений кислород-кислород и неон-неон. Выбор этих двух типов ядер обусловлен тем, что их массы относительно близки, но теоретические расчёты и существующие исследования предполагают возможные различия во внутренней структуре: кислород-16 может иметь тетраэдрическую ядерную структуру, тогда как неон-20, согласно прогнозам, демонстрирует деформацию, напоминающую кеглю для боулинга.

Исследователи сосредоточились на изучении таких моделей потока частиц, как эллиптический и треугольный потоки. Результаты показали, что коллективный поток, возникающий при столкновениях, чувствителен к начальной геометрической форме ядра, особенно при более лобовых столкновениях, где относительная интенсивность эллиптического потока демонстрирует характеристики, связанные с деформацией ядра. Вместе с тем, исследование также отмечает, что изменения треугольного потока количественно не полностью совпадают с модельными прогнозами, что требует дальнейшей проверки и уточнения моделей.

Результаты соответствующего исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters. Исследователи полагают, что эти результаты указывают на то, что коллективный поток в столкновениях лёгких ионов не только отражает отклик гидродинамической среды, но и может нести информацию о пространственном расположении протонов и нейтронов внутри ядра, что предоставляет новые экспериментальные основания для изучения ядерной структуры с помощью высокоэнергетических столкновений частиц.