Один из трёх стабильных изотопов кислорода 16О (Кислород-16), который относится к числу основных элементов жизни на Земле, образуется в ходе реакций в ядрах красных звезд-гигантов. Команда физиков из North Carolina State University продемонстрировала, как форма ядра этого элемента видоизменяется в зависимости от его состояния, при том, что спин (скорость вращения) и заряд остаются неизменными. Результаты этого исследования могут пролить свет на механизм образования кислорода.
Углерод и кислород образуются в результате сгорания гелия в красных гигантских звездах. Изотоп 12С (Углерод-12) образуется, когда три ядра 4He (Гелий-4) объединяются весьма специфическим образом. Этот процесс слияние ядер изотопа гелия в недрах звезд получил название тройная гелиевая реакция (тройной альфа-процесс). В рамках этого процесса 16О также объединяется с 12С и другими ядрами 4He.
Хотя физикам уже давно известно, из чего сделал 16О, они по сегодняшний день озадачены тем фактом, что и при первом, и при повторном переходе элемента в возбуждённое состояние, ему присущ нулевой спин и положительный заряд. Аналогичная ситуация наблюдается и с 12С – исследователи рассматривают основное, и, так называемое, «состояние Хойла». При комнатной температуре рассматривается лишь «основное состояние» Кислорода-16 в связи с очень низкой, в сравненными с ядерной реакцией, температурой. Переход 16О в возбуждённое состояние играет важную роль в процессе сжигания гелия внутри звезды.
По словам Dean Lee из North Carolina State University, который является соавтором статьи, посвящённой результатам исследования, ожидалось, что Кислород-16 будет характеризоваться нулевым спином и положительным зарядом, пребывая в своём «основном состоянии». Он отмечет, что для всей команды стало неожиданностью, когда после первого перехода в возбужденное состояние эти характеристики остались неизменными. Это вынудило команду физиков задаться вопросом, какова разница между этими двумя состояниями. С этой целью физики детализировано рассмотрели структуру восьми протонов и восьми нейтронов в 16О.
Lee вместе со своими коллегами Evgeny Epelbaum, Hermann Krebs, Timo Laehde и Ulf-G. Meissner ранее разработал метод для описания всех возможных способов, посредством которых протоны и нейтроны могут объединяться друг с другом внутри ядер таких изотопов, как 12С. Они использовали подход, получивший название «теория эффективного поля». Посредством комплексной числовой решётки исследователи смогли смоделировать процессы взаимодействия частиц и тем самым выявить структуру ядер.
В рамках исследования, эта же команда, к которой присоединился ещё физик Gautam Rupak, установила, что, невзирая на неизменность спина и заряда 16О как после первого перехода в возбуждённое состояние, так и после второго, структура ядра изотопа видоизменилась. В «основном состоянии» протоны и нейтроны расположены в тетраэдрических конфигурациях, представленных четырьмя альфа-кластерами, содержащими два нейтрона и два протона каждый. После первого перехода в возбуждённое состояние, альфа-кластеры характеризуются квадратной конфигурацией.
По словам Lee, процесс производства 12С и 16О по-прежнему таит в себе много загадок. Он отмечает, что благодаря моделированию решёток, учёные впервые смогли исследовать низкоэнергетическое состояние 16О.
Статья, посвящённая результатам исследования была опубликована 12 марта 2014 года в журнале «Physical Review Letters».
