Рис. Воссоздание оболочечной модели на основе взаимодействий нуклонов. Источник: Ченронг Дин и др.

"Магические ядра", часто описываются с помощью ядерной оболочечной модели. Подобно электронной оболочечной модели, используемой в атомной физике, эта модель рассматривает нуклоны как занимающие дискретные энергетические уровни, причем переходы между уровнями сопровождаются поглощением или испусканием энергии. Оболочечная модель не в полной мере отражает лежащую в основе физику реальных атомных ядер — в частности, она не может явно объяснить сильное ядерное взаимодействие — мощное, короткодействующее взаимодействие, которое связывает нуклоны и позволяет положительно заряженным протонам сосуществовать в одном ядре, не разлетаясь на части.

В данном исследовании ученые под руководством Ченронга Дина из Университета Сунь Ятсена подошли к этой проблеме, переосмыслив фундаментальный принцип квантовой механики: состояние системы нельзя наблюдать, не изменяя его. В результате физики описывают квантовые системы с помощью волновых функций, которые кодируют диапазон возможных состояний, которые может занимать система, и вероятность каждого из них.

Учёные сосредоточились на олове-132, особенно стабильном изотопе, содержащем 50 протонов и 82 нейтрона. При исследовании волновой функции ядра с более низким разрешением (с акцентом на коллективное поведение взаимодействующих нуклонов) было обнаружено, что знакомая картина энергетических уровней ядерной оболочечной модели естественным образом возникает из лежащих в основе взаимодействий протонов и нейтронов. Как и предсказывает оболочечная модель, магические числа протонов и нейтронов остались неизменными.

Результаты работы преодолевают давний разрыв между двумя основными подходами к ядерной теории: феноменологическими моделями, успешно описывающими ядерное поведение, и методами, основанными на первых принципах, которые направлены на вывод этого поведения из фундаментальных сил.