RZECZ O ... dodatek do gazety Rzeczpospolita z 19 października 2004 r.

Jedną z cząstek, które można przyspieszać w akceleratorach, jest antyproton - cząstka antymaterii. Antyproton jest jakby odbiciem protonu, ma taką samą masę, moment magnetyczny, spin. Różni się jedynie znakiem ładunku elektrycznego.

Przy oddziaływaniu niskoenergetycznego antyprotonu z protonem lub neutronem często następuje zjawisko anihilacji. Obie oddziałujące cząstki przestają istnieć, powstają piony: cząstki znacznie lżejsze od początkowych, naładowane lub neutralne.

W CERN w latach 1983 - 1996 pracowało urządzenie o nazwie LEAR (Low Energy Antiproton Ring), w którym gromadzono antyprotony wyprodukowane w zderzeniach wysokoenergetycznych protonów z jądrami miedzi. Na urządzeniu tym zespół polsko-niemiecki przeprowadził dwa eksperymenty, mające na celu zbadanie struktury jąder atomowych na ich dalekich peryferiach. Doświadczenia te zaproponowali fizycy z Uniwersytetu Warszawskiego.

Jądro atomowe składa się z dwóch rodzajów cząstek (naładowanych dodatnio protonów i obojętnych elektrycznie neutronów) związanych siłami jądrowymi (oddziaływaniem silnym). Pierwszy, najprostszy model jądra przedstawiał je jako kulę materii jądrowej o jednorodnej gęstości z równomiernie rozłożonymi w niej protonami i neutronami. Dalsze badania wykazały, że gęstość materii w jądrze maleje przy jego "brzegu". Nasuwało się też pytanie, czy protony i neutrony są tak samo rozłożone w jądrze (tzn. czy są jednorodnie wymieszane)?

Rozkłady protonów są stosunkowo łatwe do badania, gdyż protony obdarzone ładunkiem można badać cząstkami oddziałującymi elektromagnetycznie (elektronami czy mionami). Badania rozkładów neutronów są trudniejsze. Antyprotony okazały się dobrą sondą do badań rozkładów neutronów.

Oddziaływanie znacznie zwiększa prawdopodobieństwo anihilacji antyprotonu z jednym z nukleonów na powierzchni jądra. Jeśli antyproton anihiluje z neutronem, z badanego w eksperymencie powstaje jądro mające jeden neutron mniej. Jeśli zaś anihilacja zajdzie na protonie, produkt reakcji ma jeden proton mniej niż badane jądro.

Liczba powstałych w reakcji jąder pierwszego rodzaju jest tym większa, im więcej jest neutronów na jego powierzchni, liczba produktów drugiego rodzaju jest tym większa, im więcej jest protonów. W niektórych przypadkach intensywność produkcji obu rodzajów jąder można wyznaczyć przez proste pomiary charakterystyk ich rozpadów promieniotwórczych. Stosunek tych intensywności w przybliżeniu jest proporcjonalny do stosunku gęstości neutronów do protonów na powierzchni jądra.

W drugim z zaproponowanych z eksperymentów badano promieniowanie X emitowane przez atomy antyprotonowe. Atom antyprotonowy to atom, w którym jeden z elektronów zastąpiony zostaje antyprotonem. Antyproton zatem może krążyć na orbicie atomowej dookoła jądra jak elektron, ale ponieważ jest ok. 2000 razy cięższy niż elektron, to promień jego orbity jest kilkaset razy mniejszy niż promienie orbit elektronowych. Atom antyprotonowy w momencie powstania jest w stanie wzbudzonym, następnie antyproton przeskakuje na coraz bliższedziaływanie jądrowe, które zaburza kształt widma promieni X. Zaburzenie jest tym silniejsze, im większa gęstość materii jądrowej na powierzchni jądra. Jeśli z innych eksperymentów (np. z elektronami) wiadomo, jaka jest gęstość protonów na brzegach jądra, to można wydedukować, jaka musi być gęstość neutronów, żeby w sumie dały obserwowane w eksperymencie zaburzenie. Przebadano w ten sposób ponad 25 izotopów różnych pierwiastków.

Oba opisane wyżej eksperymenty pokazały, że powierzchnia ciężkich, stabilnych jąder, które mają więcej neutronów niż protonów (a takich jest większość spośród występujących naturalnie w przyrodzie), jest bogata w neutrony. We wnętrzu jądra protony i neutrony są rozłożone równomiernie, a im bliżej powierzchni, wzrasta prawdopodobieństwo spotkania neutronu w stosunku do prawdopodobieństwa znalezienia protonu. Przez analogię do często obserwowanego widoku księżyca na lekko zamglonym niebie, mówi się o "halo neutronowym" na powierzchni jądra.

J. JASTRZĘBSKI, A. TRZCIŃSKA, ŚRODOWISKOWE LABORATORIUM CIĘŻKICH JONÓW
UNIWERSYTET WARSZAWSKI