Зеркальные ядра продемонстрировали сильное нарушение симметрии

Katrin Wimmer et al. / Physical Review Letters, 2021

Зеркальные ядра криптона и селена продемонстрировали сильное нарушение симметрии. Физики давно заметили отклонение энергетических состояний этих ядер от ожидаемых и теперь измерили вероятности гамма-переходов в криптоне, селене и броме. Обнаруженные расхождения с теоретическими предсказаниями невозможно объяснить в рамках существующих моделей. Ученые предположили, что они связаны с различиями в форме ядер. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Зеркальные ядра — это ядра с одинаковым массовым числом, которые превращаются друг в друга при замене протонов в них на нейтроны, а нейтронов на протоны. У них близкие спектры возбужденных состояний, одинаковые значения спина и четности, а их массы отличаются на небольшую величину.

Существование этих ядер можно объяснить схожестью протонов и нейтронов во всем, кроме заряда. Для сильного взаимодействия, связывающего кварки внутри нуклонов и других адронов, они абсолютно идентичны, и отличаются только одной квантовой характеристикой — проекцией изоспина. Поэтому их рассматривают как разные состояния одной частицы с изоспином ½: у протона его проекция -½, а у нейтрона +½. Небольшую разницу в их массах — всего 0,1 процента — связывают с электромагнитным взаимодействием, считая, что нарушения симметрии сильного взаимодействия малы и не приводят к видимым эффектам.

Физики изучают зеркальные ядра, чтобы получить информацию о нарушениях изоспиновой симметрии. До сих пор основным способом сделать это был анализ разностей энергий возбужденных состояний зеркальных ядер. Недавно нарушение симметрии было обнаружено в зеркальной паре с массовым числом 73: 73Sr и 73Br. У этих ядер отличаются спины основных состояний, но разность энергий их возбуждения составляет всего 27 килоэлектронвольт. Это нарушение очень маленькое, и его можно сопоставить с другими случаями.

Однако у зеркальных ядер должны быть не только близкие энергетические спектры. Такие ядра являются членами одного изобарического мультиплета — набора ядер с одинаковым массовым числом. Независимость сильного взаимодействия от заряда предполагает, что у всех членов мультиплета будут одинаковые волновые функции и чистые изоспиновые состояния без смешивания. Энергии возбуждения не дают информации о симметрии волновых функций и чистоте изоспиновых состояний.

Кэтрин Виммер (Katrin Wimmer) из Токийского университета и ее коллеги использовали другой, более точный способ проверки нарушения изоспиновой симметрии. В его основе лежит матрица электромагнитных переходов, каждому элементу которой ставится в соответствие изоскалярный или изовекторный переход между разными состояниями ядер. Зная элементы этой матрицы, можно рассчитать вероятности переходов. По теоретическим предсказаниям вероятность должна меняться линейно.

Для эксперимента выбрали мультиплет ядер с массовым числом 70: он включает ядро 70Br, а также зеркальные ядра 70Kr и 70Se. Предыдущие исследования уже выявили необычное поведение ядер этого мультиплета, связанное с различиями в их кулоновской энергии.

В новом эксперименте физики использовали ионный ускоритель, чтобы получить пучок ядер. После их направили в слой золотой фольги. При столкновении с ядрами мишени происходило излучение гамма-квантов, спектр которых зафиксировали и проанализировали на наличие нужных переходов — из возбужденного состояния со спин-четностью 2+ в основное состояние 0+. Возбужденное состояние 2+ вызвано комбинацией электромагнитного и ядерного взаимодействий между потоком ядер и мишенью. С помощью компьютерной модели ученые разделили вклады ядерных и электромагнитных сил, рассчитали величину деформации ядер и вероятность нужного гамма-перехода.

Эти вероятности напрямую связаны с волновыми функциями ядер. По сравнению с энергиями возбуждения они сильнее зависят от того, как влияют на волновые функции количества нейтронов и протонов.

Чтобы убедиться в правильности проведенного анализа, физики сравнили новые значения со значениями из предыдущих исследований для 70Se и 70Br, а также для нескольких близких ядер. Для 70Kr такие измерения проводились впервые.


Ожидалось линейное уменьшение значений изовекторных матричных элементов от 70Se к 70Kr. Но полученное значение для криптона серьезно отклонилось от линейной аппроксимации. Величина отклонения составила 3σ — это значит, что его нельзя объяснить случайными флуктуациями.


В отклонение от линейного тренда вносит свой вклад смешивание состояний с изоспинами 0 и 1. Но одно только смешивание не могло вызвать наблюдаемые изменения в вероятностях переходов. Возможным объяснением может служить деформация 70Kr относительно его зеркального ядра 70Se. Существующие теоретические расчеты, даже учитывающие легкую деформацию, не могут описать полученные значения вероятностей и сильное их увеличение для 70Kr. Необходимо создание новой теоретической модели.

Изучение нарушения различных симметрий — область интереса многих исследователей. Например, недавно физики вычислили вероятность распада парапозитрония с нарушением зарядовой четности и разработали способ регистрации нарушения пространственной четности в молекулах.

Екатерина Назарова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.