У дослідженні, яке об'єднує експериментальну роботу і теоретичні розрахунки, які стали можливими завдяки суперкомп'ютерам, вчені визначили ядерну геометрію двох ізотопів бора. Результат може допомогти відкрити шлях до точних розрахунків структури інших ядер, які вчені могли б експериментально підтвердити.
Дослідники з Аргоннської національної лабораторії у співпраці з ученими з Німеччини та Польщі визначили різницю в величині, відомій як радіус заряду ядра між бором-10 і бором-11. Радіус заряду ядра вказує на розмір атомного ядра, яке часто має відносно нечіткі краї.
Радіуси ядерних зарядів важко вирахувати з високою точністю для атомів, набагато більших, ніж бір, через величезну кількість нейтронів і протонів, властивості і взаємодії яких повинні бути отримані з квантової механіки.
Ядерна теорія будується на основі квантової хромодинаміки (КХД), набору фізичних правил, застосовних до кварків і глюонів, що становлять протони і нейтрони всередині ядра. Але спроба вирішити ядерну динаміку з використанням однієї КХД була б майже неможливим завданням через її складність, і дослідники повинні покладатися, принаймні, на деякі спрощуючі припущення.
Оскільки бор відносно легкий - всього п'ять протонів і кілька нейтронів - команда змогла успішно змоделювати два ізотопи бору на суперкомп'ютері Mira і вивчити їх експериментально за допомогою лазерної спектроскопії.
«Це одне з найскладніших атомних ядер, для якого можна отримати точні вимірювання експериментально і теоретично», - сказав фізик-ядерник Пітер Мюллер.
Розгляд того, як ядерні конфігурації бора-11 (11B) і бора-10 (10B) розрізнялися, включав визначення в надзвичайно малих масштабах довжини: менше, ніж фемтометр - одна квадрильйонна частина метра. Дослідники визначили, що 11 нуклонів у борі-11 насправді займають менший обсяг, ніж 10 нуклонів у борі-10.
Щоб експериментально поглянути на ізотопи бору, вчені з Дармштадтського університету провели лазерну спектроскопію на зразках ізотопів, які флуоресціюють на різних частотах. У той час як велика частина відмінностей в картинах флуоресценції викликана різницею в масі між ізотопами, у вимірі є компонент, який відображає розмір ядра.
Щоб відокремити ці компоненти, співробітники Варшавського університету та Університету Адама Міцкевича в Познані виконали найсучасніші розрахунки атомної теорії, які точно описують складний «танець» п'яти електронів навколо ядра в атомі бора.
Гарна згода між експериментом і теорією щодо розмірів ядра дозволяє дослідникам з більшою достовірністю визначати й інші властивості ізотопу, такі як швидкість його бета-розпаду. «Здатність проводити розрахунки і проводити експерименти нерозривно пов'язані між собою, щоб підтвердити і закріпити наші висновки», - кажуть вчені.
Наступний етап дослідження, ймовірно, буде включати вивчення бора-8, який нестабільний і має період напіврозпаду близько секунди. За словами вчених, оскільки в ядрі менше нейтронів, воно набагато менш тісно пов'язане, ніж його стабільні сусіди, і, як вважають, має розширений радіус заряду.
«Існує такий прогноз, але тільки експеримент покаже нам, наскільки добре він фактично моделює цю слабо пов'язану систему», - пояснюють фізики.