Одним из ключевых направлений современной ядерной физики является изучение экзотических ядер, находящихся за пределами стабильности. Эти ядра обладают необычным отношением числа протонов и нейтронов, что делает их крайне важными для проверки и расширения ядерных моделей.
Особый интерес вызывают:
Создание таких ядер осуществляется на установках с радиационно-активными ионами, где изучаются их масса, радиус, спектры возбуждённых состояний, характеристики распада и взаимодействия с другими ядрами. Результаты этих экспериментов имеют решающее значение для корректировки плотностных функционалов, применяемых в моделировании ядерной материи.
Синтез новых сверхтяжёлых элементов (СТЭ) остаётся приоритетным направлением. Теоретически предсказанный «остров стабильности» — область на карте ядер, где ядра с Z≈114–126 и N≈184 могут обладать сравнительно большими временами жизни — продолжает стимулировать поиски долгоживущих СТЭ.
Для получения таких элементов используются тяжёлые ионные реакторы, в которых сливаются два относительно тяжёлых ядра. Например, синтез элемента 117 (теннессин) осуществлялся при облучении берклия ионами кальция-48. Ключевыми задачами являются:
Особое внимание уделяется улучшению моделей оболочечной структуры и механизмов распада, так как предсказания о стабильности зависят от потенциальных барьеров деления и энергии связи нейтронов.
Изучение ядерных процессов, происходящих в астрофизических условиях, позволяет понять происхождение элементов во Вселенной. Особенно актуальны реакции r-процесса и p-процесса, ответственные за образование тяжёлых ядер в условиях сверхновых, нейтронных звёзд и их слияний.
Для воспроизведения таких условий создаются экспериментальные установки типа FRIB (Facility for Rare Isotope Beams), FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) и SPIRAL2. Основные исследовательские задачи включают:
Результаты критически важны для моделирования взрывов сверхновых и оценки массового выхода элементов в галактическом масштабе.
В ядерной материи при изменении числа нуклонов, энергии возбуждения или изоспиновой асимметрии могут происходить квантовые фазовые переходы. Эти переходы между различными типами коллективных движений — сферическим, деформированным, γ-мягким — изучаются как на основе моделей коллективной оболочки, так и в рамках теории алгебраических моделей (например, IBM – Interacting Boson Model).
Особое значение имеют:
Наблюдение и интерпретация спектров возбуждённых состояний и переходов между ними даёт представление о микроскопической структуре ядра и фазовой природе изменений в ядерной материи.
Явление кластеризации нуклонов внутри ядра (особенно в лёгких ядрах, таких как $^{12}$C, $^{16}$O) демонстрирует, что ядро может рассматриваться не только как равномерное квантовое облако, но и как составная система из устойчивых субструктур (кластеров) — преимущественно α-частиц. Исследования кластерных состояний имеют большое значение:
Развиваются численные методы, основанные на антисимметричной молекулярной динамике (AMD), которые позволяют моделировать квазимолекулярные состояния и кластерные конфигурации с высокой точностью.
Ядерная физика предоставляет уникальные условия для проверки фундаментальных симметрий природы. На переднем крае находятся эксперименты по поиску:
Особое внимание уделяется двойному β-распаду, который, если обнаружится без испускания нейтрино, укажет на майорановскую природу нейтрино и будет свидетельством новой физики за пределами Стандартной модели.
Экспериментальные установки типа GERDA, CUORE, KamLAND-Zen, LEGEND стремятся достичь фонового уровня ниже 1 события/т*год, что требует беспрецедентных технологических решений.
Изучение поведения ядерной материи при высоких плотностях и температурах, таких как в недрах нейтронных звёзд или при столкновениях тяжёлых ионов на ускорителях (RHIC, LHC), представляет фундаментальный интерес.
Среди ключевых тем:
Современные численные подходы (Relativistic Mean Field models, Skyrme-Hartree-Fock, Ab Initio методы) и машинное обучение используются для извлечения EoS из экспериментальных данных.
Наряду с фундаментальными задачами ядерная физика развивается и в прикладных направлениях. В ядерной медицине расширяется использование радионуклидов для диагностики (ПЭТ, ОФЭКТ) и терапии (альфа- и бета-терапия, бор-захватная терапия).
В энергетике ведутся интенсивные работы по созданию термоядерных реакторов (ITER, DEMO), а также реакторов нового поколения (реакторы на быстрых нейтронах, малые модульные реакторы), где расчёты нейтронной кинетики, сечений и радиационной стойкости материалов опираются на достижения ядерной теории и эксперимента.
Также развивается направление трансмутирования радиоактивных отходов и изотопного обеспечения медицины и промышленности с помощью ускорителей и специальных ядерных реакторов.
Развитие высокопроизводительных вычислений позволяет реализовать ab initio моделирование ядер, начиная с первых принципов (включая NN- и 3N-взаимодействия), а также решать задачи многотелевой квантовой механики с использованием суперкомпьютеров и квантовых симуляторов.
Особенно важными являются:
В перспективе ожидается широкое внедрение квантовых алгоритмов (например, VQE и QPE) для решения задачи собственного значения гамильтониана ядра.
Таким образом, перспективные направления в ядерной физике охватывают как фундаментальные аспекты устройства материи, так и критически важные прикладные технологии. Их развитие требует комплексного подхода — от теоретического моделирования и численного анализа до создания уникальных экспериментальных установок и анализа больших данных.