ядерная физика

Чтобы определить радиус протонного облака в атомном ядре, физики используют метод, основанный на столкновениях нестабильного ядра-снаряда с ядром-мишенью. В процессе такого взаимодействия ядро-снаряд может потерять один или несколько протонов. Чем больше ядро-снаряд, тем выше вероятность того, что оно заденет ядро мишени и потеряет частицы.

Радиоизотопные источники энергии, работающие на альфа-распаде плутония-238, уже более шестидесяти лет питают кардиостимуляторы и космические аппараты. Однако сырья для них критически мало: мировое производство плутония-238 составляет лишь несколько килограммов в год, что едва покрывает потребности ключевых миссий.

Ядро урана-235, захватившее медленный нейтрон, не сразу разлетается на осколки. Сначала оно как будто застревает в двух «ямах» — состояниях с разной формой. Первая, основная, — это слегка вытянутая капля. Вторая, изомерная, — капля, растянутая сильнее, но ещё не порванная.

Песочные часы, в которых песчинки превращаются в другие прямо во время падения, — вот на что похожи нестабильные атомные ядра. Они живут мгновение и распадаются, выбрасывая электрон (это и есть бета-распад). В сентябре 2025 года в рамках проекта FRIB Theory Alliance собрались теоретики и экспериментаторы, чтобы обсудить, как использовать такие распады для изучения устройства материи.

Чем тоньше сегнетоэлектрическая плёнка, тем сильнее деполяризующее поле — диктат классической физики. Представьте карандаш, балансирующий на кончике пальца: чем короче, тем труднее удержать вертикально. Так и нанометровая поляризация норовит исчезнуть.

В оркестре атомов у каждого инструмента своя партитура. Но иногда два музыканта начинают играть в унисон — и звук усиливается во много раз. В квантовом мире такое «созвучие» называют резонансом Фешбаха. Оно позволяет управлять атомными взаимодействиями с ювелирной точностью. Резонанс Фешбаха — это не совпадение нот, а совпадение энергий.

Стандартная модель физики элементарных частиц — это теоретический каркас, описывающий все известные фундаментальные частицы и их взаимодействия. Однако она не объясняет природу тёмной материи, на которую приходится около четверти массы-энергии Вселенной. Для поиска её проявлений не всегда нужны гигантские ускорители.

Кастрюля с кипящим супом бурлит, и хочется узнать, насколько горячи отдельные капли внутри. Но термометр можно окунуть только с краю, где уже не так бурно. Примерно так же обстоят дела с лазерным термоядерным синтезом: мощный лазерный импульс бьёт в мишень, рождая облако быстрых протонов.

Если попробовать разломить протон и вытащить из него кварк, вас ждёт сюрприз. Обычные силы, вроде электрической, слабеют, когда частицы разлетаются. А здесь — наоборот. Чем дальше кварк от своих соседей, тем сильнее его тянут обратно.

Два ядра олова сталкиваются на скорости около двух третей скорости света. На мгновение возникает горячее плотное облако, из которого во все стороны разлетаются протоны. Если поймать пары протонов и измерить, насколько часто они вылетают в одном направлении, можно вычислить размер этого облака.

Часы — это не просто механизм со стрелками. В основе каждого атомного ядра лежит природный метроном: оно колеблется с почти идеальной равномерностью. Если поднять один такой ядерный метроном на пару метров, его ритм чуть ускорится из-за искривления времени — эффекта, предсказанного Эйнштейном в общей теории относительности.

Столкновение на огромной скорости выбило нейтрон из ядра гелия-8, и на мгновение возникло ядро гелия-7 — как перегруженная полка, с которой слетели сразу три книги. Этот мимолётный «звук» распада удалось записать впервые: три нейтрона разлетелись, оставив после себя обычное ядро гелия-4.

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.

В ядре атома протоны и нейтроны укладываются слоями, как зрители в переполненном зале. Когда слой заполнен, ядро становится особенно устойчивым — физики зовут такие «полные ряды» магическими числами. Одно из них, 32, долго пряталось от глаз: у ядер с 32 нейтронами оно проявляется слабо, а у некоторых соседей его будто нет вовсе.

Ядро атома — не застывший шарик, а бурлящий коллектив протонов и нейтронов. Они крутятся, сталкиваются и выстраиваются в узоры, которые физики видят как «полосы» — лесенки уровней энергии. В ядрах ниобия и технеция таких лесенок нашли четыре, но последняя упорно не влезала в расчёты. Три нижние полосы давно понятны: основная, первая и вторая «боковые» — как три этажа дома.

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.

Через десять микросекунд после Большого взрыва Вселенная напоминала кастрюлю с кипящим бульоном. В нём плавали кварки и глюоны — частицы, из которых позже соберутся протоны и нейтроны. Бульон остывал, и в какой-то момент кварки слиплись в комочки — те самые протоны и нейтроны, из которых состоит всё видимое вещество.

Колокол гудит не одной нотой — после удара в нём звучат сразу несколько гармоник. Примерно так же вибрирует атомное ядро: после столкновения оно может колебаться, и эти колебания видны по испускаемым гамма-лучам. Но у ядра ниобия-104, где 41 протон и 63 нейтрона, гармоник оказалось больше, чем ожидали.

Нейтронная звезда — сверхплотный остаток взрыва сверхновой, существование которого предсказал Фриц Цвикки ещё в 1930-х. Позже Джоселин Белл Бернелл обнаружила их как пульсары — вращающиеся источники строго периодичных радиосигналов.

Нестабильное атомное ядро похоже на каплю воды на раскалённой сковороде: она существует лишь мгновение, и её форма всё время меняется. Физики научились описывать такие капли — ядра, которые живут меньше миллиардной доли секунды и распадаются, едва успев родиться. Обычные методы расчёта для таких ядер дают сбой: слишком много вариантов, как частицы внутри ядра могут двигаться и взаимодействовать.

В ядре атома нейтроны держатся не все одинаково крепко. Если отрывать их по одному, как листья от кочана капусты, энергия отрыва каждый раз разная. Для изотопов с 149 частицами в ядре (лантан, церий, празеодим) эту энергию только что измерили заново — и одна цифра не совпала с прежней.

Ядро кальция-48 — как запертая комната с 48 нуклонами. Внутри идут перестановки: нейтрон становится протоном, и комната медленно перестраивается в другую — титан-48. Процесс занимает невообразимо долго: в среднем триллион триллионов лет, но он идёт. Чтобы описать такую перестройку, физики собрали из кусочков волновую функцию ядра.

Когда в ядро атома попадает лишний нейтрон, оно начинает вести себя как переполненная чашка: ещё немного — и содержимое выплеснется. Физики из французского центра GANIL устроили такую «передачу» нейтрона от дейтрона (ядра тяжёлого водорода) к ядру кислорода-19. В результате рождалось ядро кислорода-20 — с одним лишним нейтроном.

Протон врезается в ядро дейтерия — крошечную связку из протона и нейтрона. Раньше такие столкновения описывали уравнениями, где время течёт одинаково для всех, как в обычной жизни. Но когда частицы разгоняются до скоростей, близких к световой, время для них замедляется, а длины сокращаются. Это как если бы два бегуна на стадионе мерили дистанцию разными линейками.

Высоко над Землёй летит спутник, а внутри него — прибор размером с небольшой шкаф. Он ловит частицы, которые миллиарды лет мчались сквозь галактику и наконец врезались в детектор. Такие частицы называют космическими лучами, и они приносят вести о далёких взрывах звёзд. Прибор NUCLEON на спутнике «Ресурс-П» полгода собирал эти «письма из космоса».