Badania w krakowskim cyklotronie pozwalają lepiej zrozumieć lekkie jądra atomowe

Dzięki przeprowadzonym w Krakowie badaniom akceleratorowym udało się poszerzyć wiedzę o lekkich jądrach atomowych. To o tyle istotne, że wszystkie pierwiastki powstały w toku ewolucji wszechświata, w którym dominowały lekkie jądra atomowe. Naukowcy z Polski, Włoch, Francji, Belgii, Niemiec, Rumunii i Holandii prowadzili swoje badania w Centrum Cyklotronowym Bronowice. Uczeni skupiali się na wzbudzeniach jąder atomowych węgla ¹³C zwanych rozciągniętymi stanami rezonansowymi. Stany te interesują przede wszystkim astrofizyków.

Badania jąder atomowych wzbudzonych do wysokich energii są bardzo trudne, gdyż tworzące jądra cząstki wchodzą w interakcje angażujące aż trzy z czterech oddziaływań podstawowych: silne, słabe oraz elektromagnetyczne. Zaletą prac z rozciągniętymi stanami energetycznymi lekkich jąder jest prostota ich opisu, co pozwala na zbudowanie modeli wyników pomiarów.

Jądro znajdujące się w stanie energetycznym nazywanym rozciągniętym można sobie wyobrażać jako układ, w którym pod wpływem zderzenia z protonem z zewnątrz tylko jeden proton lub jeden neutron jądra pokonuje szczelinę energetyczną i przenosi się do stanu energetycznego leżącego w tak zwanym kontinuum energetycznym. W kontinuum różne stany energetyczne jądra mogą na siebie nachodzić, co radykalnie utrudnia opis zachodzących zjawisk i ich zrozumienie, a w konsekwencji także interpretowanie danych z eksperymentów. Stany rozciągnięte są więc tak istotne, ponieważ na energetycznej drabince powłok energetycznych w jądrze atomowym to jedne z najwyższych miejsc, gdzie jeszcze można prowadzić względnie proste i jednocześnie precyzyjne obserwacje, wyjaśnia doktor Natalia Cieplicka-Oryńczak z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN.

Uczeni wykorzystali cyklotron Proteus C-235, którego wiązkę koncentrowano na tarczach węglowych. W wyniku zderzenia wiązki z tarczą powstawały protony. Koncentrycznie wokół osi wiązki umieszczono detektory rejestrujące przede wszystkim te protony, które były rozpraszane pod kątem 36 stopni od wiązki. Analizy teoretyczne wykazywały bowiem, że właśnie pod takim kątem powinno być widocznych jak najwięcej protonów związanych ze wzbudzeniem rozciągniętych stanów węgla ¹³C. Dodatkowe detektory rejestrowały kwanty gamma i lekkie cząstki.

Dzięki badaniom udało się ustali, że jądro ¹³C stanu rozciągniętego rozpada się na dwa sposoby, tzw. kanały. Częściej występuje kanał, w czasie którego jądro emituje proton i przekształca się w bor 12B, który następnie emituje kwant gamma. W drugim kanale powstaje węgiel ¹²C z emisją neutronu i kwantu gamma.

W następnym etapie badań Centrum Cyklotronowe Bronowice zostanie wykorzystane do badań jąder azotu ¹⁴N i węgla ¹²C, a później uczeni poszukają rozciągniętych stanów jądrowych w borze ¹¹B.

Kraków Bronowice cyklotron