Группа физиков из 10 стран сообщила об экспериментальном исследовании того, как электрический квадрупольный и магнитный дипольный моменты изотопов индия зависят от числа нейтронов в них.
Ядро индия интересно тем, что его число протонов на единицу меньше ближайшего магического числа ("магическими числами" в ядерной физике называют количество протонов или нейтронов, которые обеспечивают дополнительную устойчтвость атомных ядер). Это делает индий хорошим объектом для изучения одночастичного (в данном случае однодырочного) приближения к теории ядерных сил. Доведя число нейтронов до 80, авторы показали, что старое представление о балансе сил в таких ядрах было ошибочным, и представили два независимых метода вычисления ядерных моментов. Оказалось, что, чтобы точно воспроизвести эксперимент, необходимо учитывать вклады, нарушающие симметрию относительно инверсии времени.
Взаимодействие двух нуклонов (протонов или нейтронов) в ядре существенно сильнее и сложнее устроено, чем взаимодействие между двумя электронами или между электроном и ядром. По этой причине физики не очень хорошо умеют его предсказывать. Например, мы знаем, что нуклоны, как и электроны, — это фермионы, поэтому по мере своего прироста они заполняют некоторые оболочки. Но если число электронов, необходимых для заполнения первой, второй и последующих оболочек, довольно легко предсказать из первых принципов, то соответствующие ядерные значения (их еще называют магическими числами) ученые узнают лишь феноменологически: это 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126. Атомы с полностью заполненными оболочками — инертные газы — обладают очень большой энергией ионизации и неохотно участвуют в химических реакциях. Аналогично магические ядра обладают повышенной энергией связи и большим временем жизни.
Проблемы с количественной теорией ядерных сил из первых принципов возникают с самого начала. Соответствующее уравнение Шрёдингера, которое прекрасно справляется с этой задачей в атомной физике, требует знание потенциала нуклон-нуклонного взаимодействия, точный вид которого ученым до сих пор неизвестен. Тем не менее, физики не сдаются и ищут способы хоть как-то упростить себе задачу.
Не так давно ядерщики стали обращаться к опыту своих коллег, изучавших атомы почти век назад. В то время не было технической возможности решать уравнение Шрёдингера для многоэлектронных атомов, однако в случае щелочных атомов удавалось построить приближенную аналитическую теорию. В ее основе лежало представление об электронной структуре таких атомов как об одном электроне (валентном), двигающемся в объединенном поле ядра и замкнутого электронного остова. Движение валентного электрона щелочного атома очень похоже на движение единственного электрона в атоме водорода. Отличие в том, что остов не полностью экранирует ядро, поэтому его эффективный заряд несколько больше единицы, а также в том, что валентный электрон поляризует остов, поэтому в уравнение добавляется взаимодействие с диполем.
Такой же подход физики начали применять к описанию околомагических ядер, то есть таких, где число нуклонов, в особенности протонов, отличается от магического на единицу в большую или меньшую сторону. Во втором случае говорят о движении протонной дырки в магическом ядре. Исследование мультипольных моментов таких ядер позволяет судить о том, как лишняя частица деформирует магический остов.
В своей работе международная коллаборация физиков из 10 стран при участии Адама Вернона (Adam Vernon) из Манчестерского университета сконцентрировала свое внимание на богатых нейтронами изотопах индия. Ядро индия содержит 49 протонов, что на единицу меньше магического числа. Ранее исследование магнитного момента его изотопов с числом нейтронов от 56 до 78 показало, что он слабо меняется. Это заставило ученых думать, что в околомагических тяжелых ядрах одночастичное поведение доминирует над коллективным. В новом исследовании авторы довели число нейтронов до 80 и увидели резкий скачок в свойствах ядер, что опровергает старые предположения.
В частности, физики измеряли электрический квадрупольный и магнитный дипольный моменты у основного и изомерного состояний ядер. Измерения были выполнены с использованием метода коллинеарной резонансной ионизационной спектроскопии на установке ISOLDE, расположенной в ЦЕРН. Эксперимент позволил определять сверхтонкую структуру атомов индия, в особенности исследовать электрические квадрупольные и магнитные дипольные переходы.
Для описания наблюдаемых закономерностей, физики использовали два различных подхода. Первый из них позволял вычислять свойства ядер из первых принципов в рамках метода ренормгруппы, используя два различных набора двух- и трехнуклонных сил, выведенных в рамках хиральной эффективной теории поля. Второй основывается на теории функционала плотности в рамках подхода методов Харти — Фока и Харти — Фока — Боголюбова. Во втором случае физики отдельно исследовали влияние членов, нарушающих инверсию времени. Они возникают в основном из-за двухчастичного спин-спинового взаимодействия и представляют особый интерес в контексте поиска новой физики и темной материи.
Метод ренормгруппы позволил хорошо воспроизвести поведение моментов (локальные максимумы и минимумы) в зависимости от числа нуклонов, но ошибся в самих значениях. Использование метода функционала плотности совместно с методом Хартри — Фока оказалось наиболее точным, но только при включении нечетных по времени (то есть, нарушающих симметрию относительно инверсии) средних полей. Такая же конфигурация лучше всего воспроизвела поведение изомеров для числа нейтронов, близких к магическому. Результаты работы физиков дадут новый толчок к развитию методов описания ядерного поведения, как из первых принципов, так и с помощью более косвенных методов.