Mokslininkai pasiekė tai, kas atrodė neįmanoma: atlikti itin tikslūs branduolių matavimai
Tai, kas pavyko „Argonne National Laboratory“ mokslininkams, dar visai neseniai atrodė beveik neįgyvendinama. Jie itin tiksliai išmatavo atomų branduolių, egzistuojančių vos akimirką, savybes. Nors iš pirmo žvilgsnio tai gali pasirodyti kaip techninis eksperimentas, jo reikšmė kur kas platesnė: sėkmingi matavimai tapo rimtu argumentu, kad teoriniai įrankiai, kuriais remiasi mokslininkai, pagaliau pradeda tiksliai atspindėti realybę.
Tyrimo rezultatai publikuoti prestižiniame leidinyje „Physical Review Letters“. Jie parodė netikėtai gerą atitiktį vadinamųjų „Brussels-Skyrme-on-a-Grid“ (BSkG) modelių prognozėms. Tai ne vien akademinis pasiekimas: tokių modelių patikrinimas yra būtinas norint suprasti procesus, maitinančius žvaigždes ir lemiančius visos Visatos raidą. Be tvirtų teorinių pamatų mūsų žinios apie kosmosą būtų paremtos daug didesniu neapibrėžtumu.
Rutenis – raktas į branduolio sandaros paslaptis
Kodėl tyrimams pasirinktas būtent rutenis? Šis sprendimas nebuvo atsitiktinis. Rutenio izotopai pasižymi itin sudėtinga branduolių sandara. Mokslininkai įtaria, kad kai kurie jų gali turėti net triašę formą, primenančią migdolą ar kavos pupelę. Toks vidinis sudėtingumas paverčia rutenį puikiu „bandymų poligonu“, tikrinant naujausius teorinius modelius.
Tyrėjai sutelkė dėmesį į devynis radioaktyvius rutenio izotopus. Jie buvo pagaminti naudojant „CARIBU“ įrenginį, kuris tokius egzotiškus branduolius išgauna skaldant kalifornį. Tačiau tikrasis iššūkis prasidėjo vėliau: kiekvienas iš tiriamų izotopų egzistavo tik sekundės dalį. Todėl matavimai „ATLANTIS“ aparatu, priklausančiu akceleratoriaus „ATLAS“ sistemai, turėjo būti žaibiški ir itin tikslūs – klaidoms ar pakartojimams tiesiog nebuvo laiko.
Lazerinė spektroskopija lenktynėse su laiku
Sėkmės raktu tapo kolinearinė lazerinė spektroskopija. Ši technika leidžia surinkti visus reikalingus duomenis iš mikroskopinių medžiagos kiekių greičiau nei per sekundę. Tai galima palyginti su bandymu padaryti ryškią nuotrauką skriejančiai kulkai – reikalinga ne tik labai gera įranga, bet ir itin tiksliai apgalvota metodika.
Komanda sukūrė naują metodą: atomų pluoštas buvo neutralizuojamas ir sugrupuojamas į trumpus impulsus. Taip pavyko išmatuoti vadinamąjį izotopinį poslinkį, kuris tiesiogiai suteikia informacijos apie skirtingų izotopų branduolių dydžių skirtumus. Tai svarbus technologinis žingsnis, kuris ateityje gali praversti tiriant ir kitus, dar sunkiau „pagautinus“ elementus.
Gauti rezultatai pademonstravo įspūdingą atitiktį BSkG modelių prognozėms ir tapo dideliu šuoliu, palyginti su senesniais skaičiavimo įrankiais. Šių modelių stiprybė – gebėjimas įvertinti specifines sąveikas tarp visų branduolyje esančių neutronų ir protonų. Dėl to galima tiksliau modeliuoti net ir nestandartines branduolių struktūras. Vis dėlto pabrėžiama, kad kiekvienas modelis turi ribas, o patvirtinimų kitų elementų atžvilgiu dar reikės.
Nuo laboratorijos – iki žvaigždžių
Kodėl tokie tikslūs laboratoriniai matavimai svarbūs kosmoso supratimui? Atsakymas slypi žvaigždžių prigimtyje. Būtent nestabilūs, radioaktyvūs branduoliai atlieka pagrindinį vaidmenį žvaigždžių formavimosi procesuose, dangaus kūnų evoliucijoje ir galiausiai supernovų sprogimuose, kurių metu sintetinami sunkesni cheminiai elementai.
Didesnis pasitikėjimas BSkG modeliais suteikia astrofizikams tvirtesnį pagrindą prognozuoti reiškinius, kurių neįmanoma tiesiogiai stebėti ar atkartoti Žemėje. Tai ypač svarbu ieškant atsakymo, iš kur atsirado elementai, iš kurių sudarytas pasaulis ir mes patys. Nors modeliai nesuteikia šimtaprocentinio tikrumo, būtent tokie eksperimentiniai patvirtinimai tampa svarbiais kelrodžiais siekiant vis išsamesnio tikrovės supratimo.
Šis tyrimas buvo tarptautinio bendradarbiavimo rezultatas: jame dalyvavo mokslininkai iš „Argonne National Laboratory“, „Technische Universität Darmstadt“ ir „Facility for Rare Isotope Beams“ prie „Michigan State University“. Pačius BSkG modelius sukūrė tyrėjai iš „Université libre de Bruxelles“ ir „Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon“.
„ATLANTIS“ įranga dabar prieinama ir kitoms tyrėjų grupėms. Tai atveria kelią nuosekliai, didesniu mastu tikrinti teorinius modelius – jau su įvairiais elementais. Nors kelias į pilną fundamentalių materijos procesų supratimą dar ilgas, tokie pasiekimai aiškiai rodo, kad mokslas juda teisinga kryptimi.
