Физики смоделировали образование нуклонных кластеров при слиянии тяжелых ионов

Физики с помощью численного моделирования показали, какие нуклонные кластеры образуются в первые моменты после слияния тяжелых ядер. В частности, слияние ядер кислорода-16 приводит к возникновению промежуточного осциллирующей системы, которая может испускать альфа-частицы, сообщают ученые в статье в Physical Review C.

При столкновении двух тяжелых ионов с энергией, необходимой для преодоления кулоновского отталкивания, ядра сначала образуют короткоживущее промежуточное состояние, которое может либо оказаться устойчивым и продолжить свое существование в виде нового ядра, либо распасться на другие ядра поменьше. Чтобы понять, насколько устойчивыми являются те или иные конфигурации нуклонных систем, ученые обычно используют теорию функционала плотности для определения плотности локализации нуклонов. Но как правило, таким методом исследуют только устойчивость ядра в конкретный момент, а динамика развития нуклонной системы на ранних стадиях после слияния тяжелых ионов оставалась до последнего момента не изучена.

Бастиан Шутрумпф (Bastian Schütrumpf) из Дармштадтского технического университета и Витольд Назаревиц (Witold Nazarewicz) из Университета штата Мичиган предложили использовать времязависимую теорию функционала плотности, чтобы понять, что происходит с нуклонами в процессе слияния двух тяжелых ионов и как в таких системах происходит формирование, например, альфа-частиц. Для этого они рассмотрели несколько ядерных реакций, которые происходят при столкновении ядер кислорода-16, кальция-40 и углерода-12. С помощью предложенного подхода ученым удалось визуализировать положение нуклонов в образовавшейся при слиянии структуре на разных стадиях.

Оказалось, что при слиянии тяжелых ионов происходит образование промежуточного состояния, в котором ядра не сливаются полностью, а образуют сложную осциллирующую осесимметричную систему, состоящую из нескольких нуклонных кластеров. Например, в случае слияния ядер кислорода-16 в такую систему входят два кластера со структурой углерода-12 и два альфа-кластера. Эти кластеры имеют структуру, близкую к структуре ядер углерода-12 и альфа-частиц (состоящих из двух протонов и двух нейтронов), соответственно, но, поскольку они находятся внутри общего ядра, то взаимодействуют с другими нуклонами, которые их окружают.

В случае более тяжелых ионов, например, кальция-40, образовавшаяся нуклонная система может содержать в себе элементы альфа-кластеров, а также кластеров со структурой ядер углерода-12, кислорода-16, магния-24, кремния-28, серы-32 и аргона-36. На разных этапах после слияния для осциллирующей системы может быть характерна та или иная кластерная структура.

Также ученые рассмотрели процесс слияния двух разных ядер, в частности, кислорода-16 и кальция-40, при котором возможно формирования устойчивого кластера титана-44.

По словам авторов работы, именно колебательные процессы, связанные с переходом между различными кластерными состояниями (а не начальный процесс столкновения) и являются определяющими для нуклонной системы для ее дальнейшего поведения и распада на отдельные устойчивые ядра. Полученные результаты хорошо согласуются с предыдущими экспериментальными данными и теоретическими гипотезами и подтверждают образование кластерной структуры сразу после слияния тяжелых ионов, которая, например, в случае ионов кислорода приводит к усиленному испусканию альфа-частиц.

Изучение динамики образования кластерной структуры при слияние тяжелых ядер поможет в дальнейшем более детально изучить процессы, происходящие во время нуклеосинтеза в ядрах звезд. При этом стоит отметить, что если атомы, находящиеся в периодической системе до молибдена, могут быть синтезированы и в ядрах звезд, то для синтеза более тяжелых элементов необходимо совершенно другие условия, которые образуются, например, при слиянии нейтронных звезд.

Александр Дубов