„Nodurile” nucleare ar putea dezvălui misterele atomilor

Structurile asemănătoare nodurilor numite skyrmioni ar putea ajuta oamenii de știință să dezlege funcționarea interioară a nucleelor ​​atomice, sugerează un nou studiu.

Un skyrmion este o mică perturbare a unei substanțe, un model învolburat care, ca un nod, este greu de desfacut. În anii 1960, fizicianul nuclear Tony Skyrme a sugerat că aceste structuri – de atunci numite după el – ar putea reprezenta protoni și neutroni dintr-un nucleu în calculele teoretice. Dar, în ciuda unor promisiuni inițiale, ideea a avut probleme. În special, calculele Skyrmion au produs nuclee deformate.

Dar acum cercetătorii și-au îmbunătățit calculele despre modul în care protonii și neutronii ar trebui să se grupeze în imaginea Skyrmion. Aceste rezultate au fost de acord cu așteptările bazate pe date experimentale, relatează echipa într-un studiu în presă la Scrisori de revizuire fizică.

Iată cum funcționează ideea: în interiorul unui nucleu, particulele numite pioni zboară în mod constant, ajutând la menținerea nucleului împreună. Așa cum un electron are un câmp electric care poate împinge alte particule, acești pioni sunt de asemenea asociați cu câmpuri. În imaginea originală a lui Skyrme, protonii și neutronii pot fi descriși ca răsuciri în câmpul de pioni – sau skyrmioni – asemănătoare cu un nod legat într-o bucată de sfoară.

În realitate, protonii și neutronii sunt fiecare alcătuit din particule subatomice mai mici numite quarci și gluoni, iar teoria fundamentală care descrie modul în care acele particule interacționează, numită cromodinamică cuantică, este imposibil de complexă. Skyrmionii ar putea simplifica calculele – dacă numai tehnica ar produce răspunsurile corecte.

Formele potrivite

Oamenii de știință prevăd că unele nuclee atomice ar trebui să fie formate în mai multe aglomerări. Anterior, formele acelor nuclee, atunci când erau calculate cu skyrmioni, afișau forme care nu erau de acord cu acea predicție (rândul de sus). Dar noile calcule Skyrmion au găsit nuclee care constau din mai multe clustere, așa cum era de așteptat (rândul de jos). Culorile indică tipul de pion – particule care ajută la menținerea nucleului împreună – care domină în fiecare regiune.

Acum, fizicienii de la Universitatea Durham din Anglia au rezolvat unele dintre necazurile skyrmionilor, în studiile asupra nucleelor ​​atomice la fel de mari ca carbon-12.

Calculele Skyrmion neglijează de obicei particulele mai grele numite mezoni rho, care sunt, de asemenea, importante pentru menținerea nucleelor ​​intacte. Includerea acelor particule în calcule modifică modul în care „nodul” skyrmionului din câmp este legat și formele nucleelor ​​rezultate, spune fizicianul matematic și coautorul studiului Paul Sutcliffe. Este ca și cum nodurile au fost legate într-o „o bucată de sfoară plictisitoare înainte, iar acum este… o sfoară colorată cu niște străluciri pe ea”. Drept urmare, „acum obțineți formele potrivite”, spune el.

Ideea skyrmionilor s-a prins și în alte domenii. Un Skyrmion înrudit apare în spirale de magnetizare în anumite materiale solide (SN: 17.2.18, str. 18), dar skyrmionii magnetici sunt mult mai mari și pot fi manipulați după bunul plac.

Cercetătorii s-au luptat de mult să folosească skyrmionii pentru a studia nucleele atomice, spune fizicianul teoretician Nicholas Manton de la Universitatea din Cambridge, care nu a fost implicat în studiu. Dar noul rezultat „se apropie mai mult de a fi rezonabil din punct de vedere fizic”.

În cele din urmă, astfel de calcule ar putea ajuta oamenii de știință să studieze proprietăți surprinzătoare ale anumitor nuclee. Un exemplu este carbon-14, o versiune radioactivă a carbonului care poate fi folosită pentru datarea artefactelor antice. Degradează cu un timp de înjumătățire surprinzător de lung de aproximativ 5.700 de ani. Skyrmionii ar putea ajuta oamenii de știință să înțeleagă mai bine această dezintegrare ciudată, spune Manton.