Eksperymenty w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów UW

Wyniki badań prowadzonych w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów opublikowano w czasopiśmie „Physics Letters B”. Rozstrzygnięto dylemat między dwoma różnymi opisami struktury jąder kadmu.

W latach 50. Aage Niels Bohr i Ben R Mottelson zaproponowali kolektywny model jądra atomowego, według którego nisko leżące stany wzbudzone jąder atomowych są związane ze skoordynowanym ruchem protonów i neutronów. Ten model spotkał się z powszechnym uznaniem środowiska fizyków jądra atomowego, a jego autorzy w 1975 roku otrzymali Nagrodę Nobla. Kolektywne wzbudzenia jąder atomowych można porównać do ruchu kibiców podczas meczu piłki nożnej: każdy z nich może wstać i poruszać się niezależnie od innych (jak poszczególne protony i neutrony, które przemieszczają się z jednego orbitalu na drugi), ale mogą też wspólnie utworzyć „falę” przemieszczającą się wokół stadionu, która jest zjawiskiem kolektywnym.

Zachowania kolektywne

W jądrach atomowych zachowania kolektywne mają formę ruchu obrotowego lub oscylacji, w które jest zaangażowane wiele nukleonów lub choćby większość z nich. Izotopy kadmu (Cd) od ponad 40 lat odgrywają kluczową rolę w badaniach wzbudzeń kolektywnych w jądrach atomowych. Początkowo uważano, iż ich struktury można opisać w ramach kolektywnego modelu wibracyjnego, w którym jądro atomowe wykonuje niewielkie oscylacje (drgania) wokół kulistego kształtu równowagi.

Późniejsze wyniki doświadczalne zainspirowały wykonanie nowych obliczeń przy pomocy zaawansowanych modeli teoretycznych struktury jądra atomowego, w myśl których poszczególne stany wzbudzone w jądrach atomowych 110Cd i 112Cd przyjmują różne kształty elipsoidalne (np. wydłużone jak piłka do rugby lub cukinia albo spłaszczone jak frisbee lub dynia). Z drugiej strony rozwijane równolegle alternatywne podejścia teoretyczne są w stanie pogodzić istniejące dane eksperymentalne dla tych jąder z ich praktycznie sferycznym kształtem.

Najnowsze eksperymenty przeprowadzone w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów UW pozwoliły na rozstrzygnięcie pomiędzy tymi dwoma fundamentalnie różnymi opisami struktury jąder kadmu. Pozwoliło na to wyznaczenie kształtów dwóch kluczowych stanów w jądrze 110Cd.

Zarówno stan podstawowy, jak i stan wzbudzony 0+ odbiegają od kształtu sferycznego, a w szczególności pierwszy z nich przypomina owoc kiwi (lub elipsoidę, której wszystkie osie są różnej długości). Dodatkowo, zmierzone momenty kwadrupolowe (czyli parametry rozkładu ładunku) najniższych dwóch stanów o spinie 2 są znacząco różne od zera, co jest sprzeczne z hipotezą, iż struktura tych jąder może wynikać z ich drgań wokół kształtu kulistego. Te wyniki stały się podstawą publikacji, która ukazała się czasopiśmie „Physics Letters B”.

Międzynarodowy program badawczy

Opisane wyniki są częścią szerokiego międzynarodowego programu badawczego, mającego na celu określenie kształtów niskowzbudzonych stanów 0+ w parzysto-parzystych jądrach Cd, począwszy od 110Cd. Program ten realizowany jest przy wykorzystaniu uzupełniających się technik badawczych z użyciem najbardziej zaawansowanych systemów detekcyjnych. W jego ramach Iwona Piętka przygotowuje pracę doktorską opartą na danych doświadczalnych zebranych z pomocą układu AGATA – spektrometru gamma najnowszej generacji. Praca ta realizowana jest w ramach Szkoły Doktorskiej Nauk Ścisłych i Przyrodniczych UW w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów pod kierownictwem dr Katarzyny Wrzosek-Lipskiej i dr. hab. Leszka Próchniaka.