Пресс-центр

В НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ возобновились научные семинары

После более чем полугодового перерыва, связанного с пандемией COVID-19, в НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ, возобновили свою работу научные семинары Отделений. Во вторник, 15 сентября на Ядерном семинаре Отделения физики высоких энергий сотрудники Института обсудили такие, казалось бы, далекие друг от друга вещи как размеры атомных ядер и нейронные сети. С докладом выступил заведующий Лабораторией ядерной спектроскопии Отдела нейтронной физики НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ, д.ф.-м.н. Иван Андреевич Митропольский.

Атомные ядра – очень маленькие объекты, линейные размеры которых составляют порядка нескольких фемтометров (1 фм = 10^–15 м). Для измерения размеров ядер используется несколько способов, основанных на совершенно разных физических явлениях. Исторически, первые оценки радиусов этих крохотных объектов были получены путем исследований альфа-распада. Дело в том, что период полураспада зависит от проницаемости для альфа-частиц потенциального барьера, «удерживающего» их в ядре. Это были довольно грубые оценки для небольшой группы ядер, но в свое время они позволили довольно точно оценить «масштаб явления». Более точными оказались оценки, полученные из:

• бета-распадов «зеркальных ядер» (из них можно оценить энергию кулоновского расталкивания протонов в ядре, которая в свою очередь зависит от его размеров);
• измерения сечения рассеяния быстрых нейтронов, которое пропорционально ядерному радиусу (σ = 2πR, при λ << R).

На сегодняшний день основными методами получения информации о размерах ядер являются:

• измерения сечений рассеяния быстрых электронов на ядрах (электроны «чувствуют» распределение заряда внутри ядра).
• измерения оптических спектров как обычных, так и мюонных атомов, в которых электроны заменены своими более тяжелыми природными аналогами – мюонами (неточечность ядра вызывает небольшие, но хорошо измеряемые сдвиги положения атомных энергетических уровней).

Эти методы позволяют оценить радиусы ядер с точностью 1-2%.

Множество измерений, проделанных различными методами, сведены в таблицы и базы данных. Одна из таких баз данных (NuRa) создана сотрудниками Лаборатории ядерной спектроскопии Института (см рисунок 1). Она прошла государственную регистрацию.

Задача количественного описания характеристик атомных ядер чрезвычайно сложна, так как силы, связывающие нуклоны между собой, — большие, и невозможно разложить ответ в ряд по какому-нибудь малому параметру, а число степеней свободы хоть и велико, но конечно, поэтому аппарат статистических теорий применим с оговорками. Ядерный мир описывается набором приближений – моделей атомных ядер, каждая из которых описывает лишь группу феноменов.

Примером может служить так называемый изотопный кинк в ядерных радиусах. Если мы рассмотрим зарядовые радиусы ядер (R_C) — параметр, характеризующий распределение электрического заряда ядра в пространстве, для групп ядер-изомеров, для которых число протонов (Z) одинаковое, а вот число нейтронов (N) изменяется, то мы увидим, что, начиная с некоторого N, R_C заметно ускоряет свой рост (см рисунок 2). Качественно понять природу этого феномена можно в рамках оболочечных моделей ядра, учитывающих квантовую природу этих объектов. По мере увеличения своего числа нейтроны заполняют нижние энергетические уровни. Уровни в свою очередь формируют группы (оболочки), характеризующиеся разным размером. После полного заполнения одной оболочки, нейтроны начинают занимать следующую и «растягивать» протоны, увеличивая R_C.

В своем докладе Иван Андреевич Митропольский попытался ответить на следующий вопрос: «Можем ли мы, взглянув на всю совокупность данных о зарядовых радиусах ядер (или на их часть), предугадать значение R_C для конкретного нуклида?». Похоже ответ на этот вопрос положительный. Для «взгляда сверху» использовались нейронные сети с нечеткой (fuzzy) логикой. Подход основан на доказанной в 1994 г. теореме о нечёткой аппроксимации, согласно которой любая математическая система может быть приближенно описана системой на нечёткой логике. С помощью простых лингвистических правил «ЕСЛИ…, ТО…» и их последующей формализацией нечёткими множествами можно сколько угодно точно отразить любую взаимосвязь входы – выход без использования аппарата дифференциального и интегрального исчисления или иного традиционного аппарата.

Результат, полученный Иваном Андреевичем и его коллегами, обнадеживает. Например, вот как описываются нейронной сетью зарядовые радиусы изотопов неона (см. рисунок 3).

Зачем же нужны, чем полезны исследования такого рода? Во-первых, из систематики размеров атомных ядер можно оценить весь имеющийся материал в целом, проанализировать тренды, найти аномалии, чтобы сосредоточить на них внимание теоретиков или провести дополнительные измерения. Во-вторых, подобные изыскания позволяют отбирать достоверные данные, а таже представить пропущенные значения (не для всех нуклидов проведены хорошие измерения). В будущем Иван Андреевич надеется добавить в свой анализ в соответствии с сетевой логикой другие параметры: энергии связи, информацию о деформации ядер, положения ядерных уровней.