Когда-то ученые считали, что атом похож на пирог с изюмом. Позже физики перешли к планетарной модели: ядро в центре атома и электроны, передвигающиеся по орбитам вокруг него. В процессе экспериментов выяснилось, что электроны не похожи на планету, их корректнее представлять себе как облака вероятностей вокруг округлого ядра.
Но чем дальше развиваются методы анализа в ядерной физике, тем более явным становится факт, что и наше понимание формы атомного ядра несовершенно. Эксперименты на большом адронном коллайдере (БАК) показывают, что реальные ядра не всегда похожи на сферу.
Столкновения позволяют по косвенным признакам узнать форму ядра атома. При встрече ядер образуется кварк-глюонная плазма, особое, очень быстро распадающееся состояние материи. Частицы, образующие ее, обычно похожи по поведению на жидкость. Направления потока частиц позволяют ученым вычислить геометрию столкновения — сместились ли частицы относительно центров друг друга при встрече.
«Эксперименты с использованием одинаковых легких ионов предоставляют нам хороший контроль над первичной геометрией столкновения. Она оказывается зависима от пространственного расположения нуклонов в ядре. Для протон-ядерных столкновений нам приходится учитывать партонную структуру протона (кварки и глюоны внутри него), которая значительно изменяется от события к событию. Поэтому симметричное столкновение легких ионов идеально для исследования коллективного отклика в малых системах», — написали авторы работы.
После обработки нового набора данных физики из ЦЭРН поняли, что ядра неона и кислорода ведут себя не так, как предсказывали модели. Работа продолжает предыдущие исследования строения ядер кислорода и неона. Они сообщили об этом в статье в журнале Physical Review Letters.
Близкие по массе ионы кислорода-16 и неона-20 должны были проходить похожие гидродинамические изменения. А значит, разница в поведении потоков во время кислород-кислородных и неон-неонных столкновений должна отражать разницу в геометрии столкновений ионов. Она же будет разницей в строении ядер ионов.
Предыдущие расчеты ядерной структуры предполагали, что ядро кислорода-16 похоже на четырехгранник-тетраэдр, а ядро неона-20 — на кеглю для боулинга.
Исследователи обработали данные с детектора CMS о столкновений частиц с общей энергией 5,36 тераэлектронвольт на пару нуклонов. Они сравнили полученные данные с гидродинамическими симуляциями, которые учитывали современные расчеты структуры атомных ядер.
Во время экспериментов физики наблюдали значительные эллиптические и треугольные потоки для обоих типов столкновений. Рисунки потоков сильно зависели от того, насколько близко к центру ядер произошла встреча разогнанных йонов. Это согласуется с тем, как жидкость должна вести себя в зависимости от геометрии столкновения.
Авторы исследования сообщили, что в большинстве столкновений неон показал более сильный сигнал эллиптического потока по сравнению с кислородом. Так и должно быть, если ядро неона действительно менее округлое.
Однако треугольный поток в экспериментах не совпадал с вычислениями. Это может означать, что ядра существуют не в той форме, которую ожидают ученые.
Физики считают, что их анализа недостаточно для точного определения формы ядра неона, хотя анализ потоков частиц и позволяет говорить о ядерной структуре участников столкновений. Развитие теории, описывающей столкновения в ускорителе, может рассказать и почему треугольные потоки вели себя именно так. Ни одна из использованных учеными моделей не смогла описать результаты столкновений достаточно точно.