Για πρώτη φορά μέτρησαν το μέγεθος του φωτοστέφανου ενός νετρονίου με λέιζερ

Πηγή: PhysOrg, 20 Φεβρουαρίου 2009

Συνήθως οι ατομικοί πυρήνες είναι συμπαγείς δομές που ορίζονται από απότομα σύνορα. Πριν όμως είκοσι πέντε χρόνια περίπου, ανακαλύφθηκε στο Πανεπιστήμιο του Μπέρκλεϊ ότι υπάρχουν εξαιρέσεις σε αυτή την εικόνα: Ορισμένοι εξωτικοί πυρήνες περιέχουν σωματίδια που αποκόπτονται από τον κεντρικό πυρήνα και δημιουργούν ένα νέφος, το οποίο περιβάλλει τον κεντρικό πυρήνα σαν φωτοστέφανος ή σαν άλως. Ένα παράδειγμα ενός τέτοιου φωτοστέφανου εμφανίζεται στο βηρύλλιο-11, ένα ειδικό ισότοπο του βηρυλλίου. Εδώ, το φωτοστέφανο αποτελείται από ένα μόνο νετρόνιο.

Για πρώτη φορά, επιστήμονες στο Ινστιτούτο Πυρηνικής Χημείας του Πανεπιστημίου του Mainz σε συνεργασία με φυσικούς από άλλα ιδρύματα έχουν επιτύχει την ακριβή μέτρηση ενός φωτοστέφανου από ένα νετρόνιο με τη βοήθεια ενός λέιζερ, ενώ εκτίμησαν και τις  διαστάσεις του νέφους. Μελετώντας το φωτοστέφανο του νετρονίου οι επιστήμονες ελπίζουν να καταλάβουν καλύτερα τις δυνάμεις στο εσωτερικό του πυρήνα, που ενώνουν μαζί τα άτομα, λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι η μετατόπιση της άλως του νετρονίου από τον πυρήνα, είναι ασυμβίβαστη με τις έννοιες της κλασικής πυρηνικής φυσικής .

Η 'άλως' γύρω από τον πυρήνα του ₁₁Be αποτελείται από έναν πυρήνα ₁₀Be και ένα νετρόνιο χαλαρά δεσμευμένο. Η τροχιά αυτού του νετρόνιου είναι σε μια μέση απόσταση 7 fm από το κέντρο της μάζας.

"Φανταζόμαστε συνήθως τον πυρήνα του ατόμου σαν μια συμπαγή σφαίρα που αποτελείται από τα θετικά πρωτόνια και τα ουδέτερα νετρόνια", λέει ο Wilfried Nörtershäuser του Ινστιτούτου Πυρηνικής Χημείας. "Στην πραγματικότητα, γνωρίζουμε από τη δεκαετία του 1980 ότι οι πυρήνες ορισμένων ισοτόπων  ελαφρών ατόμων - λιθίου, ηλίου και βηρυλλίου -  πλούσιων όμως σε νετρόνια, είναι σε πλήρη αντίφαση με αυτή την αντίληψη."

Τα ισότοπα αυτά αποτελούνται από ένα συμπαγή πυρήνα και ένα νέφος φτιαγμένο από αραιό πυρηνικό υλικό - που ονομάζεται 'heiligenschein' ή 'άλως'. Μία άλως αποτελείται κυρίως από νετρόνια τα οποία είναι πολύ χαλαρά συνδεδεμένα με τον πυρήνα, "με μόνο το ένα δέκατο της συνήθους ενέργειας σύνδεσης ενός νετρονίου μέσα στον πυρήνα," εξηγεί ο Nörtershäuser.

Η ανακάλυψη αυτών των εξωτικών ατομικών πυρήνων δημιούργησε ένα νέο τομέα της έρευνας, με επικεφαλής τον Nörtershäuser. Η μέτρηση της άλως των πυρήνων είναι εξαιρετικά δύσκολη, επειδή αυτοί οι πυρήνες μπορούν να δημιουργηθούν τεχνητά σε ελάχιστα ίχνη. Επιπλέον, αυτοί οι τεχνητοί πυρήνες διασπώνται μέσα σε δευτερόλεπτα, ως επί το πλείστον, ακόμη και σε χιλιοστά του δευτερολέπτου.

Ο Nörtershäuser με την ομάδα του κατόρθωσε για πρώτη φορά να μετρήσει την ακτίνα του πυρήνα στο βηρύλλιο-11. Αυτός ο πυρήνας αποτελείται από ένα πυκνό πυρήνα με 4 πρωτόνια και 6 νετρόνια και ένα μοναχικό νετρόνιο ασθενώς δεσμευμένο που σχηματίζει το φωτοστέφανο. Για να επιτευχθεί αυτή η υπερ-ακριβής φασματοσκοπική μέτρηση με λέιζερ, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια μέθοδο που αναπτύχθηκε πριν από 30 χρόνια στο Πανεπιστήμιο του Mainz, αλλά έχει συνδυαστεί τώρα για πρώτη φορά με πιο σύγχρονες τεχνικές για την ακριβή μέτρηση με λέιζερ.

Οι μετρήσεις έδειξαν ότι η μέση απόσταση μεταξύ της άλως του νετρονίου και του πυκνού νέφους του πυρήνα είναι 7 femtometers (10^-15). Έτσι, η άλως του νετρονίου αυτού είναι περίπου τριπλάσια σε μήκος από τον πυκνό πυρήνα, δεδομένου ότι ο ίδιος ο πυρήνας έχει ακτίνα μόλις 2,5 femtometers.

"Πρόκειται για μια εντυπωσιακή άμεση επίδειξη του φωτοστέφανου του ισοτόπου. Είναι ενδιαφέρον το γεγονός ότι η ακτίνα της άλως αυτής είναι πολύ μεγαλύτερη από των άλλων νουκλεονίων, που είναι αποδεκτή από το εύρος των ισχυρών πυρηνικών δυνάμεων του κλασικού μοντέλου", εξηγεί ο Nörtershäuser. Η ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ των ατόμων - που τα συγκρατεί μαζί - μπορεί να εκτείνεται μόνο από 2 έως 3 femtometers.

Το αίνιγμα για το πώς η άλως των νετρονίων μπορεί να υπάρχει σε τόσο μεγάλη απόσταση από τον κεντρικό πυρήνα μπορεί να λυθεί μόνο με τη βοήθεια των αρχών της κβαντικής μηχανικής: Στο μοντέλο αυτό το νετρόνιο πρέπει να ορίζεται με τη βοήθεια της κυματοσυνάρτησης. Λόγω της χαμηλής ενέργειας σύνδεσης η κυματοσυνάρτηση μειώνεται πολύ αργά με την αύξηση της απόστασης από τον πυρήνα. Έτσι, είναι πολύ πιθανόν το νετρόνιο να μπορεί να επεκτείνει τις δραστηριότητές του σε κλασικά απαγορευμένες αποστάσεις, με αποτέλεσμα να προκαλεί το 'φωτοστέφανο'.