Γιατί δεν υπάρχουν στη φύση πυρήνες με 5 ή 8 νουκλεόνια;

Από την σελίδα Focus του Physical Review Letters,  Νοέμβριος 2002

Ερευνητές έκαναν τους πιο λεπτομερείς υπολογισμούς έως τώρα, για να εξηγήσουν γιατί δεν υπάρχουν στη φύση πυρήνες με 5 ή 8 νουκλεόνια. Η ομάδα των επιστημόνων χρησιμοποίησε μια σειρά από όλο και πιο σύνθετα αλλά και πιο ρεαλιστικά  μοντέλα, για να περιγράψει τη δύναμη μεταξύ δύο νουκλεονίων ώστε να υπολογιστεί η σταθερότητα των ελαφρών πυρήνων. 

Με την εργασία αυτή διαχωρίστηκαν οι διάφορες συνιστώσες των δυνάμεων, που είναι υπεύθυνες για την αποσταθεροποίηση των μη υπαρχόντων πυρήνων. Τα αποτελέσματά τους εμφανίζονται στο τεύχος της 28ης Οκτωβρίου 2002 του περιοδικού Physical Review Letters και αντικρούουν έτσι την υποψία πολλών σπουδαστών της φυσικής, ότι η πυρηνική φυσική είναι πολύ περίπλοκη, χωρίς να υπάρχει ανάγκη γι αυτό. 

Δύναμη ανταλλαγής.

Οι υπολογισμοί της πυρηνικής δύναμης δείχνουν την σπουδαιότητα της τανυστικής δύναμης για την αποσταθεροποίηση μερικών πυρήνων. Η τανυστική δύναμη επίσης καθορίζει το σχήμα του δευτερονίου (1 πρωτόνιο και 1 νετρόνιο), το οποίο μπορεί να υπάρξει σε μια εκ των δύο μορφών (όπως δείχνουν οι επιφάνειες σταθερής πυκνότητας της παραπάνω εικόνας), ανάλογα με τον σχετικό προσανατολισμό των σπιν του πρωτονίου και του νετρονίου. 

Η ισχυρή πυρηνική δύναμη μεταξύ των πρωτονίων και των νετρονίων έχει μια περίπλοκη μαθηματική έκφραση διότι τα πυρηνικά σωμάτια αποδεικνύεται ότι αποτελούνται από επιμέρους συστατικά, τα κουάρκς, τα οποία εκδηλώνουν την ύπαρξή τους σε πολύ μικρές αποστάσεις. "Οι φυσικοί πιστεύουν ότι τα κουάρκς εντός των πρωτονίων και των νετρονίων, υπακούουν σε μια θεωρία που καλείται κβαντική χρωμοδυναμική (QCD),  αλλά κανείς δεν γνωρίζει πως να υπολογίσει την δύναμη μεταξύ νουκλεονίων ξεκινώντας από το επίπεδο των κουάρκς", λέει ο Robert Wiringa του Εθνικού Εργαστηρίου Argonne στο Illinois.

"Πρέπει να επινοήσουμε δυνάμεις τέτοιες που να ταιριάζουν με τα πειραματικά δεδομένα". Καθώς οι πειραματικοί συνέλεξαν πλήθος δεδομένων στις προηγούμενες δεκαετίες, από τις συγκρούσεις μεταξύ νουκλεονίων, η δύναμη μεταξύ δύο νουκλεονίων  πρόκυπτε με όλο και μεγαλύτερη ακρίβεια αλλά συγχρόνως γινόταν όλο και πιο περίπλοκη. Ως πρόσφατα όμως, κανένας δεν μπορούσε να εφαρμόσει ένα ρεαλιστικό μοντέλο της δύναμης για να λύσει προβλήματα στα οποία αλληλεπιδρούσαν κάπως περισσότερα νουκλεόνια. 

Τώρα οι Wiringa και Steven Pieper έχουν επεκτείνει μια αριθμητική τεχνική για να συμπεριλάβουν πυρήνες αποτελούμενους μέχρι 10 νουκλεόνια. Εξοπλισμένοι μ' αυτήν την ισχυρή τεχνική, προσπάθησαν ν' αντιμετωπίσουν ένα βασικό ερώτημα που αφορά έναν ολόκληρο πυρήνα.

Γιατί δεν υπάρχουν πυρήνες με 5 η 8 σωματίδια;
Ακριβώς η ανυπαρξία τέτοιων πυρήνων έκανε ώστε κατά το Big Bang να μην δημιουργηθεί τίποτε βαρύτερο από το στοιχείο λίθιο, κι' έτσι ο Ήλιος μας τα κατάφερε να ακτινοβολεί επί αρκετό χρονικό διάστημα, όσο χρειάστηκε για ν' αναπτυχθεί η ζωή και να εξελιχθεί ο άνθρωπος. Οι Wiringa και Pieper αναρωτήθηκαν αν μια τόσο περίπλοκη δύναμη είναι απαραίτητη για να εξηγηθεί η έλλειψη αυτών των δύο τύπων πυρήνων.  

Ένας πυρήνας είναι ασταθής αν περιέχει περισσότερη ενέργεια ως σύνολο, απ' ότι τα μεμονωμένα σωμάτια που τον αποτελούν. Για παράδειγμα, δύο  πυρήνες των 4-σωματίων ο καθένας  έχουν λιγότερη ενέργεια απ' όση ένας πυρήνας με 8-σωμάτια.

Οι ερευνητές ξεκίνησαν με την πλήρη έκφραση της πυρηνικής δύναμης, και διέγραψαν διαδοχικά διάφορα επίπεδα πολυπλοκότητας, περίπου όπως αφαιρούμε τα διαδοχικά στρώματα στις Ρώσσικες κούκλες. Σε κάθε βήμα, υπολόγισαν έτσι τις ενέργειες 7 εκ των εφρότερων πυρήνων. Οι μη υπάρχοντες πυρήνες παρέμειναν ως ασταθείς όταν αφαιρέθηκε ο όρος της δύναμης που αφορούσε την αλληλεπίδραση σπιν -τροχιάς. Αλλά όταν προχώρησαν στο επόμενο βήμα και αφαίρεσαν τον τανυστικό όρο της δύναμης, ο οποίος μοιάζει με τη δύναμη που ασκεί ένας μαγνήτης σ' έναν άλλο όταν βρίσκονται δίπλα-δίπλα, οι ενέργειες των δύο μη υπαρκτών πυρήνων, ξαφνικά μειώθηκαν. 

Αυτό σημαίνει ότι οι πυρήνες αυτοί θα παρέμεναν σταθεροί αν δεν υπήρχε ο όρος της τανυστικής συνιστώσας της δύναμης. 
Η σχετική σπουδαιότητα της τανυστικής δύναμης προβλέπεται από τη θεωρία, λέει ο Wiringa, "και πράγματι διαπιστώνουμε τη σημασία της, για να δομηθούν οι πυρήνες με τον τρόπο που εμφανίζονται στη φύση." 

"Αρκετές από τις ιδέες αυτές κυκλοφορούν εδώ και πολύ καιρό, αλλά οι άνθρωποι δεν μπορούσαν να τις εκφράσουν υπολογιστικά" λέει ο David Millener του Εθνικού Εργαστηρίου Brookhaven στο Upton της Νέας Υόρκης. "Με τους βελτιωμένους υπολογισμούς", λέει ο ίδιος, "μπορούμε να παρακολουθήσουμε τι συμβαίνει με τη δομή των πυρήνων." 

Σημείωση: Ο όρος του δυναμικού που αντιστοιχεί στην  τανυστική δύναμη έχει τη μορφή:

Προφανώς ένα τέτοιο δυναμικό δεν είναι κεντρικό δυναμικό, αφού η αλληλεπίδραση που περιγράφει εξαρτάται από τον προσανατολισμό των σπιν.