Πυρίτιο-22: Η επαναστατική ανακάλυψη που αλλάζει τη θεωρία των πυρηνικών δυνάμεων

Σε μια εντυπωσιακή επιστημονική ανακάλυψη, φυσικοί από το Ινστιτούτο Σύγχρονης Φυσικής (IMP) της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών εντόπισαν έναν νέο «μαγικό αριθμό» πρωτονίων στον εξαιρετικά ασταθή πυρήνα του πυριτίου-22. Η ανακάλυψη αυτή ανοίγει νέο κεφάλαιο στην κατανόηση της πυρηνικής δομής και των θεμελιωδών δυνάμεων που συγκρατούν τους ατομικούς πυρήνες — ειδικά εκείνους που βρίσκονται πέρα από τα όρια της σταθερότητας.

Οι «μαγικοί αριθμοί» στην πυρηνική φυσική είναι συγκεκριμένοι αριθμοί πρωτονίων ή νετρονίων που προσδίδουν αυξημένη σταθερότητα σε έναν πυρήνα. Παραδοσιακά, γνωστοί μαγικοί αριθμοί όπως 2, 8, 20, 28, 50, 82 και 126 εξηγούνται από το μοντέλο του πυρηνικού φλοιού που ανέπτυξαν στις δεκαετίες του 1940 και 1950 οι Maria Goeppert Mayer και J. Hans D. Jensen. Ωστόσο, όσο οι επιστήμονες εξερευνούν πυρήνες πέρα από την κοιλάδα της σταθερότητας, νέοι μαγικοί αριθμοί αποκαλύπτονται — ιδίως σε εξαιρετικά ασταθή, βραχύβια ισότοπα.

Η περίπτωση του πυριτίου-22 (Si-22), που διαθέτει 14 πρωτόνια και 8 νετρόνια, αποτέλεσε εδώ και καιρό θεωρητική πρόβλεψη. Οι επιστήμονες υποψιάζονταν ότι, μέσω της πυρηνικής κατοπτρικής συμμετρίας με το οξυγόνο-22 (8 πρωτόνια, 14 νετρόνια), ο αριθμός πρωτονίων 14 ίσως είναι μαγικός. Η επιβεβαίωση, ωστόσο, καθυστερούσε λόγω των τεχνικών δυσκολιών παραγωγής και μέτρησης του εξαιρετικά ασταθούς Si-22.

Με χρήση προηγμένης φασματοσκοπίας μάζας στον Δακτύλιο Αποθήκευσης Ψύξης βαρέων ιόντων στο Λανζού, η ερευνητική ομάδα μέτρησε για πρώτη φορά με ακρίβεια τη μάζα του πυριτίου-22. Το αποτέλεσμα έδειξε θετική ενέργεια διαχωρισμού δύο πρωτονίων — ένα σημάδι πυρηνικής σταθερότητας σε αυτό το επίπεδο και απόδειξη ότι δεν είναι ραδιενεργό ως προς την εκπομπή δύο πρωτονίων. Αυτή η ιδιότητα επιβεβαιώνει την προβλεπόμενη διπλή μαγική δομή του Si-22.

Συγκρίνοντας την ενέργεια ζευγάρωσης πρωτονίων στο Si-22 με την ενέργεια ζευγάρωσης νετρονίων στο κατοπτρικό Ο-22, οι ερευνητές διαπίστωσαν εντυπωσιακή συμμετρία. Αυτή η συμμετρία υποστηρίζει θεωρητικά το μοντέλο κελύφους Gamow και ενισχύει την υπόθεση ότι το 14 είναι μαγικός αριθμός όχι μόνο για νετρόνια αλλά και για πρωτόνια.

Παρότι το Si-22 παρουσιάζει ισχυρή δομική ομοιότητα με το O-22, μια κρίσιμη διαφορά παρατηρείται: η κατανομή των πρωτονίων στο Si-22 είναι πιο εκτεταμένη από την αντίστοιχη των νετρονίων στο O-22, γεγονός που καταδεικνύει μια μικρή παραβίαση συμμετρίας — ένα φαινόμενο σημαντικό για τη θεμελιώδη φυσική.

Η ανακάλυψη αυτή αποτελεί σταθμό στη μελέτη της πυρηνικής ύλης, καθώς δείχνει ότι οι πυρηνικές δομές μπορούν να εμφανίζουν σταθερότητα ακόμα και σε ακραίες, φευγαλέες μορφές. Επιπλέον, συμβάλλει στις έρευνες για τη σύνθεση στοιχείων στο πρώιμο Σύμπαν, τη δομή ακραίων αστρικών αντικειμένων όπως οι νετρονικοί αστέρες, και τη θεμελιώδη κατανόηση των πυρηνικών δυνάμεων.

Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review Letters και χρηματοδοτήθηκε από κινεζικά ερευνητικά προγράμματα εθνικής στρατηγικής, συμπεριλαμβανομένων των CAS και του Εθνικού Προγράμματος Βασικής Έρευνας. Πρόκειται για μια πρόοδο που εδραιώνει τη σημασία της πειραματικής φυσικής στην αποκάλυψη των δομών που συγκρατούν την ίδια την ύλη του Σύμπαντος.