Новости науки 4.11.2001 Альфа-частицы: элементарные капли ядерного вещества

Как учит современная ядерная физика, ядра подавляющего большинства изотопов представляют собой сгустки плотной, достаточно однородной и слабо сжимаемой ядерной жидкости. Но сразу стоит оговориться: такая ситуация имеет место лишь для основных состояниях ядер. Когда же речь идет об их возбужденных энергетических состояниях, то картина не столь проста. В частности, в настоящее время активно исследуется новая термодинамическая фаза ядерного вещества: газ a-частиц.

Из повседневной жизни мы все вынесли знакомую картинку фазовых переходов: если плотность вещества мала, то оно находится в газообразном состоянии, но при повышении плотности в определенный момент вещество конденсируется в жидкость. Так ведут себя практически все вещества (разумеется, при условии, что у них при данной температуре есть жидкая фаза), и потому если в какой-то системе появляется фаза, промежуточная между газом и жидкостью, это сразу может служить сигналом ее необычного устройства.

То, что ядерный газ (газ, состоящий из протонов и нейтронов), существенно отличается от обычного газа атомов и молекул, ни для кого не новость. Сильное взаимодействие между нуклонами существенно отличается от электромагнитного — как по абсолютной величине, так и, например, по спиновой зависимости. Поэтому если мы возьмем газ нуклонов и начнем его сжимать, то не исключено, что последовательность фазовых переходов может оказаться совершенно необычной.

Например, уже давно существует подозрение, что при некоторой концентрации (гораздо меньше той, при которой возникает сплошная ядерная жидкость), нуклонный газ может превратиться в газ a-частиц. Действительно, a-кластер — крайне устойчивое образование. Столь устойчивое, что, например, двум a-частицам невыгодно образовывать ядро бериллия-8. Столь стабильное, что теоретикам, исследующим поведение ядер, приходится иногда предполагать, что нуклоны в ядре движутся не поодиночке, а в виде a-кластеров. Поэтому кажется само собой разумеющимся, что дай только нуклонам возможность, они начнут a-кучковаться в "элементарные капли" ядерного вещества.

Беда состоит в том, что этот эффект очень трудно проверить экспериментально: ведь ядерное вещество пока не подвластно описанному выше манипулированию. Однако при некоторой смекалке можно найти способ подтвердить или опровергнуть теоретические предсказания: достаточно детально изучить структуру сильновозбужденных состояний легких ядер с числом нуклонов, кратным четырем. Тогда если описанный выше фазовый переход в газ a-частиц в самом деле происходит в Природе, то возбужденные состояния таких ядер как ¹²C, ¹⁶O и т.д. могут выглядеть как слабосвязанное облако нескольких альфа-частиц. Отыскивая такие состояния и изучая их свойства, можно таким образом изучать новую, недоступную ранее термодинамическую фазу ядерного вещества.

Это направление исследований активно развивается франко-немецкой-японской командой теоретиков в статьях [G.Roepke et al., Phys.rev.Lett. 80, 3177 (1998); M.Beyer et al., Phys.Lett. B488, 247 (2000); A.Tohsaki et al., Phys.Rev.Lett. 87, 192501 (2001)]. Их исследования показывают, что газ фермионов (каковыми нуклоны и являются) предпочитает конденсироваться в газ a-частиц, а не, скажем, в газ дейтронов или тритонов. Кроме того, обменное взаимодействие получившихся a-частиц приводит к возможности Бозе-конденсации в этой системе.

В частности, в последней из перечисленных работ, анализируя взаимодействие нескольких альфа-частиц друг с другом аналитическими и численными методами, исследователи выяснили, что некоторые из наблюденных в эксперименте возбужденных 0⁺ состояний углерода-12 и кислорода-16 могут оказаться ничем иным, как бозе-конденсатом соответственно из трех и четырех a-частиц. В пользу этого говорит, например, и то, что у этих состояний наблюдается аномально большие размеры ядра, что и должно быть в системе слабо связанных объектов.

Авторы указывают также на то, что с увеличением числа альфа-частиц формирование бозе-конденсата становится еще более выгодным, и потому не исключено, что все высоколежащие состояния более тяжелых самоподобных четно-четных изотопов (ядер с одинаковым четным числом протонов и нейтронов) представляют собой бозе-конденсат из альфа-частиц и квазичастичные возбуждения над ним. Если окажется, что это в самом деле так, то мы будем свидетелями совершенно неожиданного приложения последних достижений физики бозе-конденсатов.

перейти к началу страницы