Идеально сбалансированный атом только что нарушил одно из важнейших правил ядерной физики.

В течение многих лет физики-ядерщики считали, что «острова инверсии» обнаруживаются главным образом в изотопах, содержащих дополнительные нейтроны. Эти необычные области ядерной диаграммы — это места, где нормальная структура атомных ядер внезапно перестает соответствовать ожидаемым правилам. В этих случаях известные магические числа исчезают, круглая форма ядра разрушается, и ядро может принять сильно искаженную форму.

До настоящего времени все известные примеры встречались в очень нестабильных, богатых нейтронами ядрах. Примерами являются бериллий-12 (N = 8), магний-32 (N = 20) и хром-64 (N = 40). Все они находятся далеко от стабильных элементов, обычно встречающихся в природе.

Ученые обнаружили неожиданный ядерный остров.

Новое исследование, проведенное международной группой ученых, выявило нечто неожиданное. Ученые из Центра экзотических ядерных исследований, Института фундаментальных наук (IBS), Падуанского университета, Мичиганского государственного университета, Страсбургского университета и ряда других учреждений обнаружили остров инверсии в месте, где его никто не ожидал.

Вместо того чтобы обнаруживаться в ядрах, содержащих большое количество нейтронов, недавно выявленная область существует в одной из наиболее симметричных частей ядерной диаграммы. В этой области число протонов и нейтронов одинаково.

Изучение редких изотопов молибдена

Исследователи сосредоточили внимание на двух изотопах молибдена: молибдене-84 (Z = N = 42) и молибдене-86 (Z = 42, N = 44). Оба лежат вдоль линии N = Z, которая особенно важна в ядерной физике. Однако эти изотопы чрезвычайно трудно изучать, поскольку их сложно получить в лабораторных экспериментах.

Используя пучки редких изотопов в Мичиганском государственном университете и высокочувствительные детекторы гамма-излучения, команда измерила время жизни возбужденных ядерных состояний с точностью до пикосекунд.

Для генерации необходимого пучка ученые ускорили ионы Mo-92 и направили их на бериллиевую мишень, в результате чего образовались быстро движущиеся ядра Mo-86. Для отделения необходимых фрагментов от множества частиц, образовавшихся в ходе столкновения, использовался сепаратор A1900. Затем пучок Mo-86 был направлен на вторую мишень. На этом этапе некоторые ядра возбудились, а другие потеряли два нейтрона и превратились в Mo-84.

Когда эти ядра вернулись в свои низшие энергетические состояния, они испустили гамма-лучи, которые дали представление об их внутренней структуре.

Измерения гамма-излучения позволяют выявить структуру ядра.

Излучаемые гамма-лучи были зарегистрированы с помощью GRETINA, высокоразрешающей германиевой детекторной системы, способной отслеживать отдельные взаимодействия гамма-лучей. Ученые также использовали TRIPLEX, прибор, предназначенный для измерения чрезвычайно коротких времен жизни, длящихся всего лишь триллионные доли секунды.

Исследователи сравнили результаты измерений с результатами моделирования методом Монте-Карло с использованием программы GEANT4. Это позволило им определить время жизни первых возбужденных ядерных состояний и оценить, насколько ядра деформировались по сравнению со сферической формой.

Разительная разница между Mo-84 и Mo-86

Результаты показали разительный контраст между двумя изотопами. Хотя Mo-84 и Mo-86 различаются всего двумя нейтронами, их поведение очень разное.

Молибден-84 демонстрирует необычно большое количество коллективного движения. Это означает, что множество протонов и нейтронов движутся вместе через большой энергетический зазор. Физики-ядерщики описывают это явление как «возбуждение частица-дырка». В этом процессе некоторые нуклоны перескакивают на орбитали с более высокой энергией, превращаясь в частицы, оставляя при этом пустые места, или дырки, на орбиталях с более низкой энергией.

Когда в этих скоординированных переходах участвует множество нуклонов, ядро сильно деформируется.

Возбуждение частиц в дырках и ядерная деформация

Подробные теоретические расчеты помогли объяснить, почему два изотопа ведут себя так по-разному. В Mo-84 протоны и нейтроны одновременно претерпевают очень большие дырочные возбуждения. Фактически, ядро переживает перестройку типа «8 частиц – 8 дырок». Эта обширная реорганизация приводит к сильно деформированной форме ядра.

Этот эффект возникает в результате взаимодействия протон-нейтронной симметрии и сужения щели оболочки при N = Z = 40. Такое сочетание облегчает одновременное пересечение щели многими нуклонами.

Исследователи также обнаружили, что эти результаты невозможно воспроизвести без учета трехнуклонных сил. В таких взаимодействиях три нуклона одновременно влияют друг на друга. Модели, включающие только традиционные двухнуклонные взаимодействия, не позволяют воспроизвести наблюдаемую структуру.

Новый тип острова инверсии

Mo-86 ведет себя совершенно иначе. Он демонстрирует более умеренные 4p-4h возбуждения и, следовательно, остается гораздо менее деформированным.

В совокупности полученные результаты показывают, что Mo-84 находится внутри недавно выявленного «Острова инверсии», в то время как Mo-86 расположен за пределами этой области.

Этот недавно обнаруженный «изоспин-симметричный островок инверсии» в ядре Mo-84 с N = Z представляет собой первый известный пример островка инверсии в протон-нейтрон-симметричной системе. Это открытие ставит под сомнение давние предположения о том, где могут образовываться эти необычные ядерные области, и дает новое понимание фундаментальных сил, удерживающих атомные ядра вместе.

Источник: www.sciencedaily.com