Новая ядерная «область инверсии», где магические числа нарушаются.
Формирование белковых узоров
Для многих фундаментальных жизненных процессов важно формирование определённых белковых узоров. Формирование белковых узоров под контролем молекулярных переключателей, как и многие процессы в природе, далеко от состояния равновесия.
Для таких неравновесных процессов отсутствует общая теория, которая предсказывает пространственную структуру узоров. Группа под руководством биофизика LMU профессора Эрвина Фрея разработала новую концепцию, описывающую, как равновесные законы могут возникать из таких процессов, далёких от равновесия. Таким образом, исследователи существенно расширили наше понимание формирования узоров в системах, где взаимодействуют несколько компонентов.
Исследование [опубликовано](https://www.nature.com/articles/s41567-025-03101-6) в журнале Nature Physics.
Новая концепция
Новая концепция основана на том, что межфазные натяжения контролируют структуру системы, близкой к тепловому равновесию, обеспечивая минимизацию площади контакта между двумя фазами. В жидкостях такие межфазные натяжения вызывают образование пузырьков и пен. В реакционно-диффузионных системах нет механических взаимодействий белков, и, следовательно, нет механического поверхностного натяжения, как в жидкостях, — и всё же пенные сети формируются всё равно.
В этих «пенообразных структурах», как называют их исследователи, химико-диффузионные потоки генерируют эффективное межфазное натяжение, которое определяет структуру сети.
Основываясь на этом механизме, исследователи смогли разработать структурные и динамические законы, отражающие структурное формирование в этих системах. Решающее различие между пеной в жидкости заключается в следующем: вдали от состояния равновесия бесконечное укрупнение пузырьков пены может прекратиться, и структура «замораживается» в конечных масштабах, создавая устойчивый узор.
Открытие в области ядерной физики
Новая модель описывает, как в реакционно-диффузионных сетях развиваются «пены»
Долгое время физики-ядерщики считали, что «острова инверсии» — области, где нормальные правила ядерной структуры внезапно нарушаются, — встречаются в основном в изотопах, богатых нейтронами. В этих необычных областях ядерной карты исчезают магические числа, сферические формы разрушаются, а ядра неожиданно трансформируются в сильно деформированные объекты.
До сих пор все такие острова были экзотическими ядрами, такими как бериллий-12 (N = 8), магний-32 (N = 20) и хром-64 (N = 40), которые находятся далеко от стабильных ядер, встречающихся в природе.
Но теперь исследование, проведённое международной группой Центра экзотических ядерных исследований, Института фундаментальных наук (IBS), Университета Падуи, Мичиганского государственного университета, Университета Страсбурга и других учреждений, обнаружило нечто невиданное ранее: остров инверсии, спрятанный в одной из самых симметричных областей, где количество протонов равно количеству нейтронов. Статья [опубликована](https://www.nature.com/articles/s41467-025-65621-2) в журнале Nature Communications.
Международная группа исследователей изучала это явление на двух изотопах молибдена: молибдене-84 (Z = N = 42) и молибдене-86 (Z = 42, N = 44). Эти ядра лежат вдоль линии N = Z — важной, но сложной для изучения области, поскольку такие изотопы трудно получить в лаборатории.
Используя пучки редких изотопов в Мичиганском государственном университете и высокочувствительные гамма-детекторы, исследователи измерили время жизни их возбуждённых состояний с точностью до пикосекунд.
Сравнение с моделированием GEANT4 Monte-Carlo позволило команде определить время жизни первых возбуждённых состояний и степень ядерной деформации.
Измерения показали, что Mo-84 ведёт себя совсем не так, как Mo-86, хотя два изотопа отличаются всего на два нейтрона. Mo-84 показал исключительно большую степень коллективного движения — признак того, что многие протоны и нейтроны продвигаются вместе через большой разрыв оболочки.
Физики-ядерщики описывают этот процесс как «возбуждение частица-дырка»: некоторые нуклоны переходят на орбитали с более высокой энергией (частицы), оставляя вакансии на орбиталях с более низкой энергией (дырки). Чем больше нуклонов участвует в этих согласованных прыжках, тем сильнее деформируется ядро.
Продвинутые расчёты, выполненные командой, объясняют этот поразительный контраст. В Mo-84 как протоны, так и нейтроны претерпевают очень большие одновременные возбуждения типа частица-дырка — фактически перегруппировка на 8 частиц и 8 дырок — что приводит к сильно деформированной форме.
Это поведение возникает из-за особого взаимодействия между симметрией протон-нейтрон и сужением разрыва оболочки в N = Z = 40, что делает такие согласованные возбуждения необычайно лёгкими. Важно отметить, что модели показывают, что эта деформация не может быть воспроизведена без учёта трёхнуклонных сил, взаимодействий, в которых три нуклона действуют вместе. Модели, включающие только традиционное двухнуклонное взаимодействие, не могут генерировать наблюдаемую структуру.
В отличие от Mo-86, который демонстрирует умеренные возбуждения 4p-4h и поэтому остаётся гораздо менее деформированным.
Эти совместные открытия показывают, что Mo-84 находится внутри недавно идентифицированного «острова инверсии», в то время как Mo-86 лежит за его пределами.
Новый «изоспин-симметричный остров инверсии», обнаруженный в ходе этого исследования на нуклиде Mo-84 с N = Z, является первым случаем, когда остров инверсии появляется в симметричных ядрах протон-нейтрон. Это открытие бросает вызов давно устоявшимся представлениям о том, где могут происходить структурные инверсии, и открывает новое окно в фундаментальные силы, которые связывают материю воедино.
Исследование [опубликовано](https://www.nature.com/articles/s41467-025-65621-2) в журнале Nature Communications.
Предоставлено:
- [Институт фундаментальных наук](https://phys.org/partners/institute-for-basic-science/)
Больше из: [Другие темы физики](https://www.physicsforums.com/forums/other-physics-topics.111/)