Физики раскрыли загадку аномально медленных бета-распадов

0

Необъяснимо низкая частота бета-распадов нестабильных изотопов оказалась связана с тем, что в этом процессе участвует не один протон, как раньше считали ученые, а пары частиц в ядре атомов. Об этом пишут ученые из США, опубликовавшие статью в журнале Nature Physics.

«Никто не понимал, что именно подавляло эти распады. Этот феномен словно возникал сам по себе. Мы выяснили, что эти аномалии можно объяснить, включив второй нуклон в процесс распада, к примеру, если два протона распадаются в протон и нейтрон или протон и нейтрон превращаются в два нейтрона», — заявил Гот Хаген (Gaute Hagen) из Национальной лаборатории Ок-Ридж в Ноксвилле (США).

Все ядра элементов тяжелее водорода состоят из двух типов элементарных частиц — протонов, заряженных положительно, и нейтронов, не имеющих заряда. То, как много протонов и нейтронов содержит атом, определяет то, насколько стабильным он является. При избытке и того, и другого типа частиц ядро старается избавиться от "лишних" протонов или нейтронов, выбрасывая или альфа-частицу, "голое" ядро гелия-4, или же превращая один из нейтронов в протон или наоборот.

Более полувека назад физики заметили одну крайне необычную аномалию — бета-распады нестабильных атомов происходили примерно на 25% реже, чем предсказывали теоретические расчеты, построенные на базе наблюдений за поведением свободных нейтронов. Объяснений этой аномалии у ученых не было, что заставляло их активно искать возможные следы "новой физики" в этом "глушении", как начали называть данный феномен теоретики.

Хаген и его коллеги смогли разгадать эту загадку благодаря двум вещам — мощному суперкомпьютеру Titan, который позволил физикам просчитать взаимодействия протонов и нейтронов внутри сложно устроенных ядер атомов, а также опытам с оловом-100, "двойным магическим изотопом" этого металла.

Так ученые называют определенные версии разных элементов, чьи ядра содержат в себе определенное число протонов или нейтронов — к примеру, 2, 8, 20, 28 или 50. Соответственно, изотоп называется "двойным магическим" если число и тех, и других нуклонов входит в эту последовательность. Все носители "магических чисел" обладают заметно более высокой стабильностью, чем предсказывает теория, и их поведение гораздо проще просчитывать.

Что самое интересное, олово-100, как объясняет Хаген, "нарушает" эту аномалию и превращается в индий-100, вырабатывая позитрон и нейтрино несколько чаще, чем другие атомы. В свою очередь, индий-100 превращается в кадмий-100 уже с "нормальной" низкой частотой, укладывающейся в общую закономерность.

Эти расхождения заставили ученых проследить за распадами и того, и другого изотопа в лаборатории и просчитать их структуру при помощи Titan, используя методы квантовой химии. Эта компьютерная модель, в отличие от многих других попыток просчитать свойства нестабильных ядер, включала в себя взаимодействия двух, трех или большего числа нуклонов.

Как оказалось, этого небольшого дополнения вполне хватило для того, чтобы объяснить существование аномалий в частоте бета-распадов не только для олова-100, но и для более легких элементов, чье поведение ученые просчитали впоследствии. В ближайшее время американские физик планируют уточнить и перепроверить свои выкладки, проведя аналогичные расчеты на базе другого двойного магического изотопа, кальция-48, распадающегося несколько иным путем.

Хаген и его коллеги надеются, что их текущие и новые выкладки помогут ученым не только ускорить поиски новой физики, других "магических" изотопов, измерить массу нейтрино и раскрыть тайны устройства ядра, но и решить другие проблемы, связанные уже с астрономией, а не физикой частиц.

К примеру, теперь астрофизики смогут точно просчитать то, как устроены недра нейтронных звезд, где подобные превращения играют ключевую роль в охлаждении этих "мертвых светил". Это крайне важно для определения их возраста и того, какую роль они играют в формировании запасов всех тяжелых элементов Вселенной.