Физики ЦЕРН открыли еще один двойной «магический» изотоп

0

Ученые из ЦЕРН доказали, что олово-132 относится к числу так называемых двойных "магических" изотопов — необычно стабильных атомов, чьи протоны и нейтроны распределены внутри них идеальным образом. Их выводы были представлены в журнале Physical Review Letters.

«Десять двойных «магических» изотопов давно стали краеугольными камнями для всей ядерной физики. Их свойства помогают нам раскрывать то, как устроено ядро изнутри. Самый тяжелый из них, олово-132, оставался загадкой для нас из-за того, что свойства его было крайне сложно просчитать и проверить экспериментально», — пишут ученые.

Магия чисел

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 он стабилен.

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.

В некоторых редких случаях, когда в атоме содержится гораздо больше нейтронов, чем протонов, подобные распады приводят к выделению свободных нейтронов или пар нейтронов и электронов.

Пока ученые не знают, как часто происходят подобные события и не знают, какие именно процессы заставляют нестабильное ядро вести себя таким образом, что мешает точному определению того, какие элементы формируются в звездах и как подобные нейтроны влияют на поведение топлива в ядерных реакторах.

Ситуация осложняется тем, что существует целый набор элементов с определенным количеством протонов и нейтронов, так называемым "магическим числом" — 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126. Они обладают заметно более высокой стабильностью, чем предсказывает теория, и не распадаются подобным образом.

Как полагают сегодня ученые, понимание принципов нейтронного распада ядер позволит нам вычислять подобные "магические числа" теоретически, а не искать их вслепую.

Стабильная нестабильность

Проверкой этих теорий занимается проект ISOLDE — один из самых долгоживущих ускорителей и "изотопных фабрик" ЦЕРН. Он начал работу в 1967 году и продолжает совершать открытия до сих пор.

В рамках этого эксперимента ученые обстреливают мишень из урана, сплавов других металлов и прочих элементов при помощи пучков протонов. Большая часть частиц пролетает сквозь этот экран, однако часть их них взаимодействует с его атомами и превращает их в новые химические элементы.

Детекторы ISOLDE измеряют массу и другие свойства этих элементов, что позволяет ученым искать новые "магические" изотопы и изучать их свойства. До недавнего времени у физиков не было возможности использовать их для проверки самого тяжелого из известных "двойных" магических изотопов, олова-132.

С одной стороны, это вещество было слишком нестабильным для длительных замеров его массы и других свойств. С другой стороны, недостаточно высокая чувствительность гамма-спектрометров ISOLDE не позволяла напрямую изучать структуру его ядер, сталкивая их с атомами свинца, или наблюдая за их распадами.

Все эти проблемы были решены после обновления этого ускорителя, завершенного в июле прошлого года. Новая версия этой машины может разгонять тяжелые изотопы до более высоких скоростей, что помогло ученым достичь необходимой точности замеров.

Эти данные, по словам физиков из ЦЕРН, полностью совпали с предсказаниями теории. Вспышки света, вырабатываемые оловом-132, действительно были более сильными, чем гамма-излучение его "соседей" по таблице Менделеева. Это подтвердило двойной магический характер олова-132 и указало на то, что текущие теории можно использовать для просчета свойств таких изотопов.

Подобные расчеты, к примеру, помогут ученым понять, как много элементов, похожих на олово-132, рождается в недрах сверхновых, и как их формирование влияло на "засеивание" Вселенной тяжелыми элементами, в том числе золотом и прочими драгоценными металлами.