гало-ядра

В баке с тремя тоннами жидкого ксенона, спрятанном глубоко под землёй, однажды что-то шевельнулось. Не сам ксенон, а одно из его атомных ядер: оно получило толчок с энергией 248 тысяч электронвольт и отскочило, как бильярдный шар, в который попал невидимый шар.

Ядро атома — не хаотичный мешок с протонами и нейтронами, а упорядоченная квантовая система. Подобно электронам в атоме, нуклоны заполняют энергетические оболочки. Когда оболочка полностью заполнена, ядро обретает повышенную стабильность, а соответствующее число частиц называют «магическим».

Атомное ядро далеко не всегда обладает идеально сферической симметрией, подобно бильярдному шару. Некоторые ядра вытягиваются, приобретая форму мяча для регби — это квадрупольная деформация, отражающая несферичность второго порядка. Другие же становятся похожими на грушу: один конец ядра заметно толще другого.

Атомное ядро обычно представляют как плотный шар, в котором протоны и нейтроны перемешаны. Однако у некоторых изотопов нейтроны могут выступать далеко за пределы этого шара, образуя разреженную оболочку — нейтронное гало. Это явление особенно характерно для ядер с большим избытком нейтронов над протонами.

Эрвин Шрёдингер размышлял, как жизнь поддерживает порядок вопреки второму началу термодинамики. Он и представить не мог, что часть ответа скрыта в нестабильности гигантских звёзд. Эксперименты Ву Цзяньсюн доказали: слабое взаимодействие нарушает зеркальную симметрию.

В центре каждого атома есть ядро — плотный шар из протонов и нейтронов. Эти частицы не толпятся как попало, а заполняют строгие энергетические уровни, похожие на этажи в небоскрёбе. Когда какой-то этаж заполнен до отказа, ядро становится особенно устойчивым — физики называют это магическим числом. Самое тяжёлое из таких чисел в стабильных ядрах — 126 нейтронов.

Долгое время астрономы искали «фабрики» самых энергичных космических лучей — частиц, несущих в себе макромир, сжатый до размеров атомного ядра. Под подозрением были колоссальные области звездообразования вроде Лебедя OB2, где сталкиваются ветры молодых гигантов. Но природа, как фокусник, спрятала сердце ускорителя в ином месте — внутри тесной двойной системы.

В ядерной физике долго царило убеждение, что два нейтрона не могут образовать связанное состояние — они слишком слабо притягиваются и сразу разлетаются. Однако на поверхности нейтронно-избыточных ядер, где плотность вещества падает до тысячных долей от нормальной ядерной, ситуация кардинально меняется.

Сверхновая — это финальный взрыв массивной звезды, разбрасывающий вещество на световые годы вокруг. Внутри расширяющейся оболочки остаётся нейтронная звезда, а сама оболочка ещё тысячи лет несётся сквозь межзвёздный газ.

Чтобы измерить истинный размер протона, физики заменили электрон в атоме водорода на его тяжёлую копию — мюон, частицу того же семейства лептонов, но в 207 раз массивнее. Мюон, словно лупа с тысячекратным приближением, подходит к ядру вплотную и «ощупывает» протон с недоступной ранее точностью.

Когда тяжёлое атомное ядро раскалывается, оно не разлетается на ровные половинки. Сначала возникают два фрагмента, похожие на груши, прижатые друг к другу узкими концами. Потом место соединения начинает сглаживаться — как будто две капли сливаются и поверхность быстро выравнивается. В этот короткий миг поверхность движется внутрь, и частицы внутри ядра могут отскочить от неё, как мячик от набегающей стены.

Если ядро атома — это семья, то в доме обычного гелия живут два протона и два нейтрона, крепко держась за руки. А теперь представьте, что один из членов семьи — чудак, который любит гулять далеко от дома.

Обычное атомное ядро похоже на тугой клубок: протоны и нейтроны плотно упакованы вместе. Но у некоторых лёгких ядер, например гелия-6, всё иначе. Два нейтрона будто отходят в сторону и образуют вокруг ядра разреженное облако — его называют гало. Это облако такое рыхлое, что ядро становится в несколько раз больше по размеру, чем должно быть по числу частиц.

Обычный ядерный реактор похож на котёл, где топливо сгорает равномерно по всему объёму. Здесь другая картина: по цилиндрическому стержню из карбида урана медленно ползёт волна деления — узкая зона, где атомы расщепляются и выделяют тепло. Впереди волны топливо ещё не тронуто, позади — уже отработало. Так огонь бежит по фитилю свечи, оставляя за собой воск.

Ядро атома не всегда круглое. Оно может вытягиваться, как дыня, или сплющиваться, как тыква. И от этой формы зависит его размер — как от формы теста зависит размер пирога. Учёные рассчитали форму и размеры ядер изотопов берклия — тяжёлого элемента, который получают в реакторах. Оказалось, что сплюснутые ядра больше вытянутых при одинаковой степени деформации.

Горсть пластилина с одним шариком, прилепленным далеко сбоку, становится рыхлой и вытянутой. Примерно так устроено ядро бериллия-11: один нейтрон нейтрон болтается на отшибе, образуя "ореол" вокруг плотного ядра. Физики использовали новый метод, чтобы обойти математические трудности и точно рассчитать форму этого ядра.

Луч света с круговой поляризацией падает на кристалл перовскита MAPbI3. Электроны внутри кристалла начинают вести себя как крошечные волчки, чьи оси выстраиваются вдоль луча. Это явление называют оптической ориентацией спинов.

Ядро атома обычно имеет чёткую форму — вытянутую, как дыня, или сплюснутую, как тыква. Но кремний-30 ведёт себя иначе: он словно не может решить, каким быть. В эксперименте пучок ядер кремния-28 и кремния-30 направляли на мишень из циркония-90 при энергиях вблизи кулоновского барьера — той границы, где ядра уже почти соприкасаются, но ещё не сливаются.

Две галактики сближаются, как пара танцоров, которые то расходятся, то снова притягиваются друг к другу. В момент особенно тесного сближения их газ сжимается, и из недр вырывается яркий ультрафиолетовый свет. Именно это происходит в системе Хара 11 — ближайшей к нам паре сливающихся галактик, которая пропускает наружу такой свет.

В плотном газовом облаке W44, где рождаются звёзды, телескоп ALMA разглядел восемь крошечных сгустков, летящих с огромными скоростями. Каждый из них в картах «положение–скорость» выглядит как латинская буква V — так же, как уже известная «Пуля», найденная ранее. Такое сходство намекает на общее происхождение.

В области звездообразования HOPS-288, где в общей газопылевой колыбели рождаются три будущих солнца, телескоп ALMA зафиксировал две горячие зоны вокруг формирующейся пары. При температуре –170 °C ледяные мантии на частицах космической пыли испаряются, высвобождая в газовую фазу простые молекулы.

Высоко над ледяным щитом Антарктиды двадцать дней висел воздушный шар с детектором. Он ловил крошечные частицы, которые миллионы лет летели к нам от далёких звёздных взрывов. Теперь учёные разобрали его улов и рассказали, сколько энергии несли протоны и ядра разных элементов. Оказалось, что не все частицы одинаковы.