Зонды ядерной структуры используют такие свойства, как форма и распад, для изучения атомных ядер.Зонды ядерной структуры — это экспериментальные методы, которые раскрывают внутреннюю организацию атомных ядер: их форму, размер и то, как протоны и нейтроны располагаются друг относительно друга. Ядро — это квантовая многочастичная система, в которой коллективное поведение возникает из сильного взаимодействия, и его структура определяет всё: от стабильности ядер до синтеза элементов в звёздах. Изучение ядерной структуры — это не просто каталогизация изотопов; оно проверяет фундаментальные теории квантовой хромодинамики и уточняет модели нейтронных звёзд и сверхновых. Сложность в том, что ядра невероятно малы (размером в фемтометры) и удерживаются вместе самой сильной из известных сил, поэтому зонды должны быть тщательно разработаны, чтобы извлекать информацию, не разрушая систему.
Эта область началась с опыта Резерфорда с золотой фольгой в 1911 году, который впервые выявил ядро. Современные зонды, использующие рассеяние электронов, были разработаны в 1950-х годах Хофштадтером, а антипротонные атомы изучаются с 1970-х годов в ЦЕРНе.
Обычные зонды включают эксперименты по рассеянию, когда частицы, такие как электроны, протоны или пионы, направляются на ядра, и их картины отклонения раскрывают распределение заряда и массы. Спектроскопические методы исследуют энергии гамма-лучей, испускаемых при переходах ядер между квантовыми состояниями, которые зависят от формы и деформации ядра. Особенно мощный метод использует антипротоны: когда антипротон захватывается на атомную орбиту вокруг ядра, он с высокой точностью зондирует ядерную поверхность, так как его энергетические уровни чрезвычайно чувствительны к распределению ядерного заряда. Другие зонды используют скорости ядерного распада, на которые может влиять окружающее электронное облако — явление, используемое для изучения того, как ядерное окружение влияет на фундаментальные процессы.
Данные о ядерной структуре необходимы для проектирования ядерных реакторов, медицинских изотопов для визуализации и терапии, а также для понимания нуклеосинтеза в звёздных средах.
Некоторые ядра, такие как кремний-30, могут существовать сразу в нескольких формах — квантовой суперпозиции различных деформаций, — что было обнаружено благодаря точным измерениям их энергетических уровней.