Az atommagoknak parányi méretük ellenére többé-kevésbé jól meghatározott alakjuk van. Vannak gömbölyű magok, zsömle alakban belapultak, és szivar alakban megnyúltak is. Ugyanazon atommag különböző állapotainak más-más alakja lehet. Egy olyan mag, ami alapállapotában gömbölyű rendelkezhet olyan nagyobb energiájú, vagyis gerjesztett állapottal, amelyben belapult, vagy megnyúlt. Alapállapotában a legtöbb atommag eltér a gömbszimmetrikustól, ezért deformáltnak mondjuk őket. A deformáció mértéke azonban általában kicsi, mindaddig amíg a rendelkezésre álló gerjesztési energia kevés. Ez alatt azt értjük, hogy a mag három különböző dimenzióba eső kiterjedését jellemző tengelyek aránya eltér ugyan az 1-től, de csak kevéssé.
A magfizikai kutatások egyik új és érdekes fejezete a nagyon megnyúlt magalak vizsgálata. Szuperdeformáltnak nevezzük a magot, ha egyik irányban kétszer olyan hosszú, mint a másik kettőben; hiperdeformáltnak pedig, ha az egyik tengelye háromszor akkora, mint a másik kettő. A legtöbb atommagot sok nukleon (proton és neutron) építi fel, és az a körülmény, hogy éppen a 2:1:1, vagy 3:1:1 tengelyarányú alak a stabilis képződmény távolról sem magától értetődő. Ez az egymással kölcsönhatásban álló soknukleon-rendszer kényes egyensúlyának a következménye, amint ezt elméleti magszerkezeti megfontolások megjósolták. Kísérleti vizsgálatok pedig sok esetben igazolták ezeket az előrejelzéseket. Ma már számos atommagnak ismerjük a szuperdeformált állapotát, és néhánynak a hiperdeformált alakját is.
Különösen érdekesek azok az atommagok, amelyekben a protonok (Z) és a neutronok (N) száma azonos. Például a proton-neutron kölcsönhatás tanulmányozása számára jelentenek ezek izgalmas mikrofizikai laboratóriumot. Ilyen magokban szuperdeformált állapotokat csak az elmúlt évtizedben találtak, hiperdeformált állapotukról pedig egyenlőre csak spekulációk léteznek. Például a 18 proton és 18 neutron alkotta Ar atommag szuperdeformált állapotának megfigyeléséről 2000-ben adtak hírt [1]. Erre az állapotra nézve is volt elméleti jóslat, az észlelését követően pedig egy egész sor teoretikus munkát tettek közzé. Ennek köszönhetően a szuperdeformált állapot természetét meglehetős részletességgel ismerjük.
A magszerkezet elméleti vizsgálata alapvetően három modell használatán alapul. Modellekre azért van szükség, mert a magot alkotó nukleonok száma rendszerint túlságosan nagy ahhoz, hogy a feladatot egzaktul meg tudjuk oldani. Nem létezik például pontos megoldása a harminchattest-problémának. A modellépítés során a feladatot addig redukáljuk, amíg megoldhatóvá válik, miközben megpróbáljuk a lényeges vonásokat nem meghamisítani. A modellek az alkalmazott közelítésben különböznek egymástól. A három alapvető magszerkezet-modell a cseppmodell, a héjmodell és a fürtmodell. Az elsőben azt tételezzük fel, hogy az atommag olyan, mint egy mikroszkopikus méretű folyadékcsepp, ami rezgésre és forgásra képes. A héjmodell szerint a mag olyan, mint egy mikroszkopikus naprendszer, vagy egy atom: viselkedéséért néhány (ú.n. valencia-) nukleon a felelős, melyek egy masszív törzs körül keringenek. Jelen esetben ezt a törzset a többi nukleon alakítja ki, és ezeknek a szerepe csupán erre korlátozódik. A fürtmodellben pedig az az alapfeltevés, hogy egy magot kisebb magok (melyeket itt klasztereknek hívunk) együttese alkotja, mint szőlőszemek a fürtöt. Igazán megnyugtatóan akkor értjük egy magállapot szerkezetét, ha nem csak egy, hanem jó esetben mind a három alapmodell segítségével le tudjuk írni.
Az Ar atommag szuperdeformált állapotának felfedezése után az ATOMKI kutatói annak a fürtmodellbeli vizsgálatát végezték el [2]. Nevezetesen azt tanulmányozták, hogy szerkezeti szempontból ennek az állapotnak milyen bináris klaszterkonfigurációi lehetségesek, vagyis milyen két kisebb atommagból lehet felépíteni. Egy ilyen analízis két szempontból érdekes. Egyfelől hozzájárul a szerkezet megértéséhez, amint azt az előző bekezdésben tárgyaltuk, másfelől pedig rámutat arra, hogy milyen magreakciókkal lehet létrehozni a kérdéses állapotot; nevezetesen, például annak a két magnak az ütköztetésével, amelyek fel tudják építeni.
Ugyanebben a munkában azt is tanulmányozták, hogy az Ar atommag elméletileg jósolt [3], de kísérletileg még nem észlelt hiperdeformált állapota milyen bináris klaszter-konfigurációkat enged meg; és következésképpen, milyen rekciókkal hozható létre. Az derült ki, hogy a legalkalmasabb reakciók a Mg+C, és a Ne+O ütközések. A történetnek egy további érdekessége, hogy a hiperdeformált állapotra vonatkozó [3] előrejelzés is fürtmodell-számolásból való; ebben azt vizsgálták, milyen stabil elrendeződés alakulhat ki 9 darab He atommagból (más szóval: alfa-klaszterből).
Az elméleti előrejelzések után a Sao Paoloi egyetem és az ATOMKI kutatói elvégezték egy korábbi Mg+C szóráskísérlet gondos analízisét [4]. Ezeket az adatokat, noha rendelkezésre álltak, eddig még nem vizsgálták részletesen. (A Sao Paolo-i csoport vezetője a magyar szármzású Szily Alinka, az egyetem első női professzora a kísérleti fizika terén.) Az derült ki, hogy az adatok egyértelműen ú.n. rezonanciaállapotok jelenlétét mutatják. Ezek a rezonanciák jól meghatározott energiához és impulzusmomentumhoz (perdülethez) tartoznak. Az atommagnak, mint mikrofizikai objektumnak az energiája és perdülete ugyanis diszkrét értékekekkel rendelkezik, amint azt a mikroszkopikus objektumok elmélete, a kvantummechanika megköveteli. (Szemben a makroszkopikus testek világával, ahol például egy futball-labda - akár a gömbölyű európai, akár pedig a tojás alakú amerikai labda - forgási energiája és perdülete folytonosan változhat.) Egy kétdimenziós (energia-impulzusmomentum) ábrán ezek az állapotok jól meghatározott pontokat adnak. Az 1. ábra mutatja a rezonaciák elhelyezkedését ezen az ú.n. rotációs digramon. A Mg+C szórási rezonanciákon kívül itt fel vannak tüntetve a Ne+O rendszer állapotai is, melyek korábbi kísérletekből szintén ismeretesek.
|
|
A magnak egyetlen belső állapota - amit a hozzá rögzített vonatkoztatási rendszeben látnánk - különböző energiájú és perdületű állapotok sorozataként jelenik meg a laboratóriumi vonatkoztatási rendszerben, ahol a mérést végzik. (Ezt a sorozatot hívjuk rotációs sávnak.) Az állapotok sokszorozódása abból fakad, hogy a mag, mint egész forog, de ez a mozgás nem befolyásolja a belső szerkezetét. A kísérleti pontokra illeszkedő egyenes meredeksége adja meg a mag tehetetlenségi nyomatékát (lényegében ugyanúgy, mint a klasszikus mechanikában), és ebből lehet következtetni az alakra. (A magot úgy tekintik, mint összenyomhatatlan folyadékcseppet, és kiszámolják a tehetetlenségi nyomatékot különböző alakra, vagyis különböző deformációkra. A kísérletivel egyező érték valasztja ki a deformációt.) Az észlelt tehetetlenségi nyomaték gyakorlatilag azonos azzal, amit az alfa-klaszter számolások [3] adtak a hiperdeformált állapotra. Hozzávéve még azt a körülményt, hogy a szóban forgó rezonanciákat éppen abban a két reakcióban találták, amit a bináris klaszter-modellel végzett kutatások jósoltak, azt mondhatjuk, hogy a [4] munka eredménye igen jó jelölt a hiperdeformált állapotra.
Az ábrán fel van tüntetve az összehasonlítás kedvéért az alapállapothoz és a szuperdeformált állapothoz tartozó rotációs sáv is. Ez az ábra az egyetlen olyan N=Z magot mutatja, ahol úgy tűnik, ismerjük az alapállapot mellett a szuperdeformált és a hiperdeformált állapotot is.
Mint említettük, az állapot szerkezetének igazi megértéséhez szükség van arra, hogy azt több szempontból is megvizsgálják. A hiperdeformált alak maga, az a cseppmodellhez tartozó fizikai kép. Ennek alapján számolható például a tehetetlenségi nyomatéka. Az állapotra vonatkozó két előrejelzés pedig két fürtmodell-vizsgálatból származik. A kísérleti megfigyelést megelőzően tehát csupán a fürtmodell szempontjából állt rendelkezésre ú.n. mikroszkopikus szerkezeti leírás, vagyis olyan vizsgálat, amelyben a nukleonok szabadsági fokait egyenként tekintetbe vették. Ezért nagyon kívánatosnak mutatkozott, hogy megvizsgálják, vajon az Ar atommag hiperdeformált állapotát héjmodell-számítások is megadják-e, amint tették azt például a szuperdeformált állapotával. Az [5] munka (szintén Debrecen - Sao Paolo együttműködés) eredménye azt mutatja, hogy a héjmodell is megjósolja a hiperdeformált állapot létét, méghozzá nem csak hogy azonos tehetetlenségi nyomatékkal, mint amit az alfaklaszter-modell és a kísérlet adott, hanem az előzővel azonos szerkezeti szimmetriával is.
Mindezek alapján azt mondhatjuk, hogy az elmúlt év kutatásai mind kísérleti,
mind elméleti oldalról,
főként pedig ezek összecsengése révén,
igen erősen valószínűsítették, hogy megtalálták az első olyan atommagot,
melynek azonos a proton- és neutronszáma, és rendelkezik szuperdeformált
és hiperdeformált állapottal is. Természetesen a végső szó kimondásához
ebben a kérdésben is arra van szükség, hogy független kísérletek
megerősítsék az állapot létét; szerkezetének mélyebb megértéséhez pedig
nyilvánvalóan további elméleti vizsgálatok kívánatosak.
Mindazonáltal úgy tűnik, hogy az
1. ábra határozottan sugallja a HD állapot létét, és egyike a nagyon kevés
jelölteknek (pillanatnyilag talán a legjobb), ami a három fontos alak
együttes jelenlétét bizonyíthatja egy atommagban.
[1] Svensson és tsai, Phys. Rev. Lett. 85, 2693 (2000).
[2] J. Cseh, J. Darai, A. Algora, P.O. Hess, Phys. Rev. C. 70, 034311 (2004).
[3] W.D.M. Rae, A.C. Merchant, Phys. Lett. B 279, 207 (1992).
[4] W. Sciani, Y. Otani, A.L. Szily, E.A. Benjamin, L.C. Chamon,
R.L. Filho, J. Darai, J. Cseh, Phys. Rev. C 80, 034319 (2009).
[5] J. Cseh, J. Darai, W. Sciani, Y. Otani, A.L. Szily,
E.A. Benjamin, L.C. Chamon, R.L. Filho, Phys. Rev. C 80, 034320 (2009).