Физици разгадаха механизма на стабилност на въглерода в звездите

Изследователи от университета в Кюшу, Япония разкриха как една специална сила в атомното ядро (взаимодействието между три нуклона) влияе на ядрената стабилност. Работата, публикувана в списание Physics Letters B обяснява защо някои ядра са по-стабилни от други и може да помогне за разбирането на процесите на образуване на тежки елементи в звездите.

Атомното ядро, съдържащо протони и неутрони (нуклеони) се държи заедно от ядрените сили. Най-мощната от тези сили е двунуклеонната сила, която привлича нуклоните на големи разстояния и ги отблъсква на малки, като предотвратява твърде близък контакт. Взаимодействието на три нуклона едновременно обаче все още не е добре проучено.

Авторите на изследването сравняват ядрените сили с игра с топка. При взаимодействие между два нуклона двама играчи (нуклони) си подхвърлят топка, като най-лекият от тях (пионът) отговаря за привличането. При тринуклеонното взаимодействие три нуклеона си подават по няколко топки едновременно, докато се въртят и движат вътре в ядрото.

Досега се смяташе, че взаимодействието между три нуклона играе незначителна роля. Последните изследвания обаче показват, че то оказва значително влияние върху стабилността на ядрото. Учени от университета в Кюшу проведоха суперкомпютърни симулации и установиха, че обменът на пиони между трите нуклона ограничава тяхното движение и въртене, оставяйки само четири възможни комбинации. Една от тях – така наречената „ранг-1“ – играе ключова роля за стабилизирането.

Стабилността на ядрата се увеличава чрез засилване на механизъм, известен като спин-орбитално разцепване. Ако нуклеоните се въртят и орбитират в една и съща посока, тяхната енергия намалява. Ако посоките са противоположни, ядрото е в по-високо енергийно състояние. Разликата в енергийните нива създава здрава структура на ядрото.

Моделирането показва, че тринуклеонната сила увеличава разликата между енергийните нива, което прави ядрото по-стабилно. Този ефект е особено забележим при тежките елементи. Например при въглерод-12, който се състои от 12 нуклеона, разликата между нивата се увеличава 2,5 пъти. Учените предполагат, че при по-тежките елементи ефектът ще бъде още по-силен.

В допълнение към влиянието си върху стабилността на ядрата, тринуклеонната сила може да обясни процесите на звезден нуклеосинтез. Колкото по-силна е тази сила, толкова по-трудно е за ядрото да улови нови неутрони, необходими за образуването на по-тежки елементи. Ако ядрото вече съдържа „магическия“ брой протони или неутрони (напълно запълнени обвивки), то става изключително стабилно, което затруднява по-нататъшния синтез.

Изследователите откриха също, че взаимодействието между три нуклона води до квантово заплитане – състояние, при което спиновете на два от трите нуклона са в суперпозиция преди измерването. Такива ефекти са наблюдавани и преди при електроните, но при масивните нуклеони те представляват особен интерес и могат да повлияят на бъдещите изследвания в областта на квантовите технологии, включително квантовите компютри.