20-й алюминий: как один изотоп за секунды обрушил уверенность в ядерной симметрии
NewsMakerУчёные поймали редчайший трёхпротонный взрыв.
В природе всё стремится к равновесию — даже атомные ядра. Но некоторые из них настолько нестабильны, что буквально распадаются на части, теряя протоны, нейтроны и энергию в виде радиации. Эти распады — радиоактивные превращения — лежат в основе ядерной физики. И хотя учёные открыли более 3300 ядерных изотопов, устойчивыми оказались лишь менее 300. Остальные нестабильны и распадаются — каждый по-своему.
Именно такие нестабильные ядра, особенно те, что находятся далеко за границей стабильности (так называемой «долиной стабильности»), — одни из главных объектов изучения современной ядерной физики. Чем более экзотичен распад, тем больше информации он даёт о внутренней структуре ядра и фундаментальных симметриях природы.
И теперь к этой области добавился новый яркий эпизод: впервые в истории учёные наблюдали и исследовали распад неизвестного ранее изотопа — алюминия-20 (²⁰Al). Об этом они сообщили 10 июля в журнале Physical Review Letters. Исследование провели специалисты Института современной физики (IMP) Китайской академии наук (CAS) совместно с коллегами из Германии и других стран.
²⁰Al — это самый лёгкий из всех изотопов алюминия, когда-либо обнаруженных. Он находится за так называемой «протонной каплей» — границей, за которой ядра больше не могут удерживать свои протоны. У ²⁰Al на семь нейтронов меньше, чем у стабильного алюминия. Такое соотношение делает ядро крайне нестабильным и подверженным редчайшим формам распада.
Распад ²⁰Al происходит по сценарию, который ранее никогда не наблюдался: сначала ядро теряет один протон, превращаясь в магний-19 (¹⁹Mg), а затем этот промежуточный продукт одновременно испускает два протона. Таким образом, вся цепочка представляет собой редчайший случай трёхпротонного распада, при этом один из его этапов сам по себе — двухпротонный распад. До сих пор таких комбинаций не фиксировали.
Открытие стало возможным благодаря эксперименту на ускорителе GSI Helmholtz в Дармштадте (Германия), где используется метод «в полёте» (in-flight decay). Это значит, что ядра формируются, движутся и распадаются в полёте, а их продукты тут же регистрируются. Исследователи проанализировали угловые корреляции между частицами, вылетающими из ²⁰Al, и таким образом не только подтвердили существование этого изотопа, но и расшифровали сценарий его распада.
Но этим дело не ограничилось. Учёные обнаружили, что энергия распада у ²⁰Al значительно меньше, чем предсказывают расчёты на основе изоспиновой симметрии. Это может указывать на её нарушение — редкое и важное явление. Изоспиновая симметрия — это аналог заряда в ядерной физике: она объединяет протоны и нейтроны в одну систему. Если она нарушается, это даёт мощный сигнал к пересмотру существующих моделей взаимодействий.
Теоретические расчёты подтвердили наблюдение. Они показывают, что спин и паритет основного состояния ²⁰Al отличаются от тех же характеристик его «зеркального» ядра — неона-20 (²⁰Ne), где число протонов и нейтронов поменяно местами. Это также говорит о возможном нарушении симметрии.
Современные методы ядерной спектроскопии, особенно с участием крайне нейтрон-дефицитных ядер, уже неоднократно открывали новые формы распада. В 1970-х годах было обнаружено одно-протонное радиоактивное распадание, в 2000-х — двухпротонное. В последние годы исследователи зафиксировали ещё более экзотические формы: испускание трёх, четырёх и даже пяти протонов. Однако случай с ²⁰Al уникален тем, что в нём сочетаются последовательный и многопротонный распад.
Работа стала результатом масштабного международного сотрудничества : в исследовании участвовали IMP, GSI, Фуданьский университет (Китай) и более десятка других научных центров. Это открытие даёт ключ к пониманию структуры ядер за пределами стабильности и помогает продвинуться в описании редких форм ядерного распада. По словам Сюй Сяодуна, результаты проливают свет на фундаментальные законы, управляющие миром элементарных частиц, и служат важным вкладом в науку о материи .
В природе всё стремится к равновесию — даже атомные ядра. Но некоторые из них настолько нестабильны, что буквально распадаются на части, теряя протоны, нейтроны и энергию в виде радиации. Эти распады — радиоактивные превращения — лежат в основе ядерной физики. И хотя учёные открыли более 3300 ядерных изотопов, устойчивыми оказались лишь менее 300. Остальные нестабильны и распадаются — каждый по-своему.
Именно такие нестабильные ядра, особенно те, что находятся далеко за границей стабильности (так называемой «долиной стабильности»), — одни из главных объектов изучения современной ядерной физики. Чем более экзотичен распад, тем больше информации он даёт о внутренней структуре ядра и фундаментальных симметриях природы.
И теперь к этой области добавился новый яркий эпизод: впервые в истории учёные наблюдали и исследовали распад неизвестного ранее изотопа — алюминия-20 (²⁰Al). Об этом они сообщили 10 июля в журнале Physical Review Letters. Исследование провели специалисты Института современной физики (IMP) Китайской академии наук (CAS) совместно с коллегами из Германии и других стран.
²⁰Al — это самый лёгкий из всех изотопов алюминия, когда-либо обнаруженных. Он находится за так называемой «протонной каплей» — границей, за которой ядра больше не могут удерживать свои протоны. У ²⁰Al на семь нейтронов меньше, чем у стабильного алюминия. Такое соотношение делает ядро крайне нестабильным и подверженным редчайшим формам распада.
Распад ²⁰Al происходит по сценарию, который ранее никогда не наблюдался: сначала ядро теряет один протон, превращаясь в магний-19 (¹⁹Mg), а затем этот промежуточный продукт одновременно испускает два протона. Таким образом, вся цепочка представляет собой редчайший случай трёхпротонного распада, при этом один из его этапов сам по себе — двухпротонный распад. До сих пор таких комбинаций не фиксировали.
Открытие стало возможным благодаря эксперименту на ускорителе GSI Helmholtz в Дармштадте (Германия), где используется метод «в полёте» (in-flight decay). Это значит, что ядра формируются, движутся и распадаются в полёте, а их продукты тут же регистрируются. Исследователи проанализировали угловые корреляции между частицами, вылетающими из ²⁰Al, и таким образом не только подтвердили существование этого изотопа, но и расшифровали сценарий его распада.
Но этим дело не ограничилось. Учёные обнаружили, что энергия распада у ²⁰Al значительно меньше, чем предсказывают расчёты на основе изоспиновой симметрии. Это может указывать на её нарушение — редкое и важное явление. Изоспиновая симметрия — это аналог заряда в ядерной физике: она объединяет протоны и нейтроны в одну систему. Если она нарушается, это даёт мощный сигнал к пересмотру существующих моделей взаимодействий.
Теоретические расчёты подтвердили наблюдение. Они показывают, что спин и паритет основного состояния ²⁰Al отличаются от тех же характеристик его «зеркального» ядра — неона-20 (²⁰Ne), где число протонов и нейтронов поменяно местами. Это также говорит о возможном нарушении симметрии.
Современные методы ядерной спектроскопии, особенно с участием крайне нейтрон-дефицитных ядер, уже неоднократно открывали новые формы распада. В 1970-х годах было обнаружено одно-протонное радиоактивное распадание, в 2000-х — двухпротонное. В последние годы исследователи зафиксировали ещё более экзотические формы: испускание трёх, четырёх и даже пяти протонов. Однако случай с ²⁰Al уникален тем, что в нём сочетаются последовательный и многопротонный распад.
Работа стала результатом масштабного международного сотрудничества : в исследовании участвовали IMP, GSI, Фуданьский университет (Китай) и более десятка других научных центров. Это открытие даёт ключ к пониманию структуры ядер за пределами стабильности и помогает продвинуться в описании редких форм ядерного распада. По словам Сюй Сяодуна, результаты проливают свет на фундаментальные законы, управляющие миром элементарных частиц, и служат важным вкладом в науку о материи .