Фізика
Фізика

Фізики перевиміряли зарядовий радіус ядра ізотопу гелію

Міжнародна група вчених перевиміряла зарядовий радіус ядра ізотопу гелію та з’ясувала, що його зарядовий радіус складає 1,67824 фемтометра. Щоб це вирахувати, фізики зіткнули гелієвий газ з мюонами гелію-4, і через велику масу останніх, їм вдалося зафіксувати розмір ядра за допомогою лазерної спектроскопії. Ці результати приблизно у п’ять разів точніші за попередні, вказують вчені у статті, опублікованій у журналі Nature. Коротко про дослідження повідомляє сам журнал.

Світіння гелію під час проходження через нього електричного струму. Alchemist-hp / Wikimedia Commons

Світіння гелію під час проходження через нього електричного струму. Alchemist-hp / Wikimedia Commons

Чому радіус ядра саме гелію?

Гелій — другий за поширеністю елемент у Всесвіті після водню, а також головний компонент у складі Сонця. На Землі його знайшли вже після того, як помітили у космосі — вперше гелій побачили у сонячному спектрі. Поряд з лініями водню — синьою, зелено-блакитною і червоною, спектроскопія виявила дуже яскраву жовту, яку згодом визнали новим хімічним елементом і назвали гелієм. На Землі ж гелій побачили вже через 27 років у радіоактивному мінералі, де гелій з’явився у наслідок розпаду. Ще в 1906 році, Ернест Резерфорд і Ройдс встановили, що альфа-частинки радіоактивних елементів являють собою ядра гелію.

У своїй статті вчені вивчали енергетичні переходи у найпоширенішому з двох природних ізотопів гелію — гелію-4. Його ядро ​​має два протони і два нейтрони та є набагато більш компактним, ніж інші легкі ядра. Гелій-4 приблизно на 20 відсотків менший за ядро ізотопу водню дейтерію, у якому лише один протон і один нейтрон. Тому гелій можна використати, щоб вивчати альфа-частинки, визначення розміру яких може суттєво обмежити теорії ядерної структури. Тим паче, що фізики використовували мюонний іон гелію-4, де зміна енергії квантових станів більша і тому стає більш помітною для спектроскопії.

Навіщо перевимірювати радіус гелію?

Точний розмір альфа-частинки представляє особливий інтерес через те, що ми все ще точно не знаємо точний радіус протона і єдине, що нам відомо — експериментально він менший за теоретичні розрахунки. Детальніше про «загадку радіуса протона» ми розповідали у новині, де фізики провели новий експеримент з частотною гребінкою та мюонним воднем - тоді його радіус вирахували у приблизно 0,84 фемтометра. Вчені вважають, що такі розходження теоретичних і експериментальних даних можуть свідчити про взаємодію між протонами і мюонами, яку ми раніше не спостерігали.

Мюони були першими відкритими елементарними частинками, яких раніше не бачили у звичайних атомах, вони можуть формувати мюонні атоми, замінюючи електрони на більш «важкі» лептони. Лептони — це фундаментальні частинки Стандартної моделі, які беруть участь у всіх взаємодіях та є класом ферміонів, з яких складається речовина.

Фізики обирають мюони, хоч це і екзотична частинка, через те, що мюон «літає» набагато ближче до ядра, ніж електрони, а тому краще взаємодіє з ним і може дати більш точні дані. Як наслідок, вивчення їх енергетичного спектра, тобто ліній поглинання мюонного атома, дає змогу «заглянути» у ядро і досліджувати його внутрішню структуру. А оскільки найпотужніша з взаємодій є сильною ядерною взаємодією, яка проявляється на співмірних з розміром ядра атома відстанях, фізики могли б описати моделі ядерної структури через зарядовий радіус альфа-частинок - один з ключових параметрів. Наразі зарядовим радіусом гелію-4 вважають 1,68 фермі(1 фермі дорівнює приблизно 10¹⁵ метра).

Що таке зарядовий радіус?

На жаль, лінійкою ядра виміряти не вийде, тим паче, що це не стільки якась стійка структура, скільки взаємодія нейтронів, протонів та обмінних сил. Тому вимірювати доводиться межі цих взаємодій, наприклад, зіштовхуючи ядро з іншими частинками. Зарядовий радіус визначає межі атомних ядер і показує, як розподілені протони і межі, в яких ядро ​​відображає заряджені частинки, що летять в його сторону. Іншими словами, це величина, яка вказує, як частинки обходять ядро, наскільки воно видається для них великим. Оскільки точні значення електронних рівнів енергії будь-якого атома залежатимуть від розподілу протонів в його ядрі, то це впливатиме на електронні спектри і тому зарядовий радіус ізотопу можна визначити за допомогою спектроскопічних вимірювань.

Як виміряти ядро гелію через мюон?

Фізики запустили мюони у камеру, наповнену газоподібним гелієм, щоб створити мюонний гелій, де мюони замінять електрони. Далі вони лазером збуджували мюони та переносили його на вищий енергетичний рівень, в процесі чого він обов’язково має вийти за межі ядра. Під час цього за допомогою рентгенівських променів вчені фіксували перехід та реєстрували різницю між енергетичними рівнями, що і показало, що зарядовий радіус гелію-4 складає 1,67824 фемтометра. За їхніми словами, це значення приблизно в п’ять разів точніше, ніж вимірювання через розсіяння електронів і гелію. Виміряний зарядовий радіус гелію послужить ідеальним тестом для запланованих експериментів, які дозволять точно виміряти радіуси ядерних зарядів елементів, важчих за гелій. За словами вчених, вони зможуть визначити зарядові радіуси більшості стабільних ізотопів від літію до азоту через гелієподібні іони.

енергії квантових станів
Феномен, відомий, як лембів зсув, який говорить про незначне за величиною зміщення енергетичних рівнів через вплив нульових коливань електромагнітного поля у вакуумі
мюонами
нестійка елементарна частинка з негативним електричним зарядом і спіном 1/2.