Değişken çözünürlüklü bir mikroskobun matematiksel eşdeğeri, bazı atomların neden olağanüstü derecede kararlı olduğuna ışık tuttu; nükleer fizikte onlarca yıldır varlığını sürdüren bir bilmece
Bazı atomlar proton ve nötron sayılarından dolayı özellikle kararlı görünmektedir.
Onlarca yıldır nükleer fizik araştırmalarının omurgasını özel bir sayı dizisi oluşturdu ve artık bunun nükleer parçacıkların ve kuvvetlerin kuantum karışımından nasıl ortaya çıktığını nihayet biliyoruz.
Yaklaşık 80 yıl önce fizikçi Maria Goeppert Mayer, bir atomun çekirdeğinin belirli sayıda (örneğin 50 veya 82) proton ve nötron içermesi durumunda olağanüstü derecede kararlı hale geldiğini gösterdi. O günden bu yana geçen yıllarda araştırmacılar, evrenimizdeki en istikrarlı ve dolayısıyla en bol bulunan elementlerde bulunan bu tür “sihirli sayıların” daha fazla olduğuna dair kanıt topladılar.
Goeppert Mayer ve çağdaşları bu sayıları protonların ve nötronların ayrı enerji düzeylerinde veya kabuklarda bulunduğunu öne sürerek açıkladılar. Halen birçok nükleer fizik deneyini yorumlamak için kullanılan bu model, çekirdekteki her parçacığı bağımsız olarak ele alır, ancak en iyi kuantum teorilerimiz, çekirdek içindeki parçacıkların aslında güçlü bir şekilde etkileşime girdiğini ileri sürer.
Çin’deki Sun Yat-sen Üniversitesi’nden Jiangming Yao ve meslektaşları bu çelişkiyi çözdüler ve bu süreçte sihirli sayıların bu etkileşimlerden nasıl ortaya çıktığını açıkladılar.
Yao, kabuk modelinin deneylerden elde edilen girdilere dayandığını ve her parçacık arasındaki etkileşimlerin ayrıntılarını kodlamadığını söylüyor. Bunun yerine, o ve ekibi hesaplamalarına ilk prensiplerden başladılar; bu da parçacıkların birbirleriyle nasıl etkileşime girdiğini, birbirlerine nasıl yapıştıklarını ve onları birbirinden ayırmak için ne kadar enerjiye ihtiyaç duyulduğunu matematiksel olarak daha ayrıntılı bir şekilde tanımladıkları anlamına geliyor.
Yao, iki açıklamanın sırasıyla düşük ve yüksek çözünürlükte çekilen görüntülere benzediğini söylüyor. “Daha önce insanlar sistemi doğrudan düşük çözünürlükte modelliyorlardı ya da nükleer yapıyı yüksek çözünürlükte anlamaya çalışıyorlardı. Biz bu açıklamalar arasında köprü kurmak için modern yöntemler kullanıyorduk.”
Kendisi ve meslektaşları yüksek çözünürlüklü tanımla başladılar, hesaplamanın her adımında onu giderek bulanıklaştırdılar ve parçacıkların oluşturduğu yapının nasıl değiştiğini izlediler.
Araştırmacılar, matematiksel köprüleri üzerinde ilerledikçe parçacığın kuantum durumlarının simetrisinin değiştiğini gördüler; bu durumlar için denklemlere dayalı bir grafik çizmek, farklı çözünürlüklerde farklı simetrilere sahip şekiller üretecekti. Bu değişiklik, çekirdeğin içindeki parçacıklar sihirli sayılarla gruplandığında en fazla kararlılığı elde etmesini sağlayan bir nükleer yapıyla sonuçlandı.
Fransız Alternatif Enerjiler ve Atom Enerjisi Komisyonu’ndan Jean-Paul Ebran, bu çalışmanın deneylerin nasıl çalıştığını yansıtan teorik bir araştırma (bir tür matematiksel mikroskop) sunduğunu söylüyor. “Doğa, gözlemlediğiniz çözünürlüğe bağlı olarak farklı görünüyor. Bu (çalışma) gerçekten deneysel olarak yaptıklarımızı eşleştiriyor.”
Ebran, araştırmacıların tespit ettiği simetri değişikliğinin Albert Einstein’ın özel görelilik teorisinin tanımladığı etkilerle ilişkili olduğunu, böylece sihirli sayıların nükleer teorinin farklı yönleriyle nasıl bir araya geldiğine dair daha kapsamlı bir tablo çizdiğini söylüyor.
Şimdiye kadar araştırmacılar teorik çalışmalarını, çekirdeklerinin her biri 50 proton ve 82 nötron içerdiğinden iki kat sihirli olan bir kalay türü üzerinde ve ayrıca birkaç ek çekirdek üzerinde test ettiler. Yao, ileriye dönük olarak analizlerini genellikle kararsız olan daha ağır atom çekirdeklerini kapsayacak şekilde genişletmek ve patlayan yıldızlarda veya birleşen nötron yıldızlarında ağır çekirdeklerin oluşturulduğu süreçleri incelemek istediklerini söylüyor.
