Многомерная таблица Менделеева

Тут некоторые читатели очень впечатлились от моего рассказа про позитроний: вот, пожалуй, самое возвышенное описание позитрония, которое я когда-либо встречал :) Но только я хочу сделать маленькую поправку относительно его места в периодической системе элементов, ну и заодно напомнить про то, что еще можно сделать с таблицей Менделеева и таблицей изотопов.

Нулевой элемент

Традиционно, нулевым элементом принято считать просто нейтрон. Нуль протонов, 1 нейтрон, такое вот ядро, ну а что оно электроны удержать рядом с собой не может — дело второстепенное. Кстати, тут есть интересный вопрос: а бывают ли другие изотопы у этого нулевого элемента? Ну или простыми словами, могут ли группки из нескольких нейтронов держаться вместе за счет ядерных сил, не разваливаясь?

Это вопрос совсем нетривиальный и более того, до конца не выясненный. Точно известно, что два нейтрона в свободном состоянии вместе удержаться не могут, хотя пытаются — между ними есть притяжение, но оно слишком слабое, чтоб удержать их вместе (это кстати типично квантовый эффект). А могут ли удержаться вместе четыре нейтрона? Лет 8 назад были некие данные с французского ускорителя тяжелых ионов Ganil, в которых вроде бы регистрировались кластеры нейтронов, но что-то эти данные потом воспроизвести не удалось. Теоретики склоняются к тому, что существование таких кластеров вряд ли возможно (уж слишком сильно надо «натягивать» ядерные модели, чтоб такое состояние стало возможным) — но чем черт не шутит. В общем, полной ясности нет.

Антитаблица Менделеева

Таблицу элементов можно, конечно, продолжать и в отрицательную сторону. В природе есть антипротоны, антинейтроны и позитроны, из них можно сложить антиядра и антиатомы. Они будут вполне стабильными, как и обычные атомы, и их можно считать элементами минус один, минус два и т.д. Легчайшие антиядра успешно рождались в экспериментах (и даже на Большом адронном коллайдере), а антиводород уже умеют даже накапливать в виде облачка и охлаждать его. Вот для интересующихся популярная статья из СОЖ 1999 года, вот заметка 2002 года на Сайентифике и совсем свежие статьи в «Популярной механике»: раз и два.

А можно ли объединить вместе в одно ядро протоны/нейтроны и антипротоны/антинейтроны? Формально можно, но ничего хорошего от этого не выйдет, т.к. нуклоны и антинуклоны проаннигилируют или превратятся в легкие мезоны — причем тут же, а не будут долго крутиться друг вокруг друга, как в позитронии. Единственный случай, когда, возможно, имеет смысл говорить о каком-то метастабильном состоянии — это пара протон-антипротон, связанная кулоновскими силами (аналог позитрония, только для протонов). Регулярно появляются экспериментальные намеки на такую возможность, но абсолютно надежно интерпретировать эти намеки пока нельзя. Ну в любом случае это уже относится в физике элементарных частиц, а не к ядерной физике.

Многомерная таблица изотопов

В обычном веществе в ядрах сидят только протоны и нейтроны, из-за чего таблица изотопов получается двумерной. Для каждого химического элемента (т.е. кол-ва протонов — одно измерение) можно менять изотопы (т.е. кол-во нейтронов — второе измерение).

Но в ядра можно также добавлять и другие частицы. Например, лямбда-гипероны (их проще всего), сигма-гипероны и так далее — в общем разнообразные метастабильные тяжелые частицы наподобие протонов и нейтронов, но только сделанные из других кварков. Эти частицы нестабильны, распадаются на наносекунды, и ядра с их участием — тоже, но как мы знаем уже из примера позитрония, наносекунды — это очень много для атомной физики. Так что такие ядра давно и успешно получают и изучают. Называются они гиперядра.

Лямбда-гипероны, сигма-гипероны и т.д. можно добавлять в ядра независимо от протонов и нейтронов. Поэтому такие гиперядра образуют уже не двумерную, а многомерную таблицу — по одному измерению на каждый тип частиц. Правда экспериментально эти дополнительные измерения изучать непросто, но кое-что уже «прощупали». Вот картинка с наброском такой таблицы, на которой по вертикали отложена «странность» гиперядра. Насколько я понимаю, на ней показаны те гиперядра, которые уже наблюдались в эксперименте.

Таблица открытых гиперядер (источник).

Кстати, недавно было зарегистрированно и первое антигиперядро.

И снова про позитроний

Ну и возвращаясь к позитронию — а где же ему полагается находиться в таблице Менделеева или таблице изотопов? А черт его знает :) Лично мне кажется, что ни его, ни другие подобные состояния к ядрам или атомам относить неправомерно. Это просто связанные состояния элементарных частиц.

Update: с подачи antihydrogen узнал, что есть такая экзотическая штука, как антипротонный гелий — ядро гелия, вокруг которого крутится антипротон (ну и электрон для нейтральности). Непонятно даже, считать это атомом или молекулой.