42 протона и 42 неутрона – съвършената симетрия, която разруши теорията на ядрената физика

Откритие, което преобръща десетилетията представи за ядрената структура.

В продължение на десетилетия ядрените физици бяха убедени, че така наречените „инверсионни острови“ се срещат само в редките, силно неутронни изотопи – такива, които почти никога не се срещат в природата. В подобни области обичайните закономерности се нарушават: „магическите“ числа изчезват, сферичната форма се разпада и ядрото внезапно преминава в състояние на изразена деформация. Това поведение отдавна е наблюдавано при берилий-12, магнезий-32, хром-64 – всички изотопи, в които броят на неутроните значително надвишава броя на протоните. Оттук идва и убеждението, че подобни необичайни конфигурации са възможни само в изолирани екзотични условия.

Едно скорошно международно изследване опроверга тази идея. Учени от IBS, университетите в Падуа, Страсбург, Мичиган и редица други центрове откриха „остров на инверсията“ там, където никой не го е очаквал: сред симетричните изотопи, където броят на протоните съвпада с броя на неутроните. Това е първото подобно наблюдение, което ни накара да преразгледаме досегашните си представи за условията, при които могат да възникнат подобни структурни повреди.

Бяха изследвани два изотопа на молибден – Mo-84 и Mo-86. Първият съдържа еднакъв брой протони и неутрони (Z = N = 42), а вторият се различава само с два неутрона. И двата се намират на линията N = Z, област, чието изследване се затруднява от трудностите при получаването на подходящите лъчи. Екипът работи в Центъра за редки изотопи в Мичиганския университет, като използва високочувствителни детектори за гама-лъчи, способни да улавят преходите с пикосекундна точност.

При експеримента ускорените ядра на Mo-92 бяха насочени към мишена от берилий. Сблъсъците доведоха до образуването на различни фрагменти, сред които Mo-86 беше отделен с помощта на електромагнитния сепаратор A1900. След това полученият сноп беше насочен към втора мишена. Там някои от ядрата навлязоха във възбудени състояния, а други се превърнаха в Mo-84, след като бяха избити два неутрона. При завръщането си на основното ниво ядрата излъчиха гама кванти, които могат да се използват за преценка на вътрешната работа на ядрата.

Излъчването е регистрирано с помощта на масива GRETINA – система, способна да проследява траекторията на всеки гама лъч. А продължителността на преходите е измерена със съоръжението TRIPLEX, предназначено за интервали от трилионни части от секундата. Сравнението на данните с моделите на GEANT4 даде възможност да се оцени времето на живот на първите възбудени нива и да се определи степента на деформация на ядрата.

Резултатите бяха поразително различни за двата съседни изотопа. Mo-84 демонстрира ясно изразено колективно движение: голям брой протони и неутрони едновременно пресичат енергийната пропаст. Този процес се нарича частично пренареждане на дупките – когато някои нуклеони се издигат на по-високи нива, оставяйки празнини в предишните си орбитали. Колкото повече частици участват, толкова повече се променя формата на ядрото.

Теоретичните изчисления показват, че в Mo-84 се наблюдава необичайно голямо пренареждане – еквивалентно на схемата „8 частици – 8 дупки“. В нея участват както протони, така и неутрони. Тази едновременност се дължи на особеностите в областта N = Z = 40, където енергийната разлика между обвивките е значително намалена и за нуклеоните е по-лесно да преминават на нови нива.

Има и друго важно заключение. Моделите, разглеждащи само взаимодействието между две частици, не са в състояние да възпроизведат наблюдаваната структура на Mo-84. Силна деформация се появява само когато в изчисленията се въведат тринуклеонни сили – ситуации, при които три частици взаимодействат едновременно. Според авторите това е силно доказателство, че подобни ефекти играят важна роля в структурата на тежките ядра.

При Mo-86 картината е много по-спокойна: откритите пренареждания отговарят на схемата „4 частици – 4 дупки“. Следователно ядрото остава по-близо до нормалното състояние и не показва изразена деформация. Тази разлика подчертава ключовия резултат от работата: Mo-84 всъщност се намира вътре в новия „инверсионен остров“, докато Mo-86 е извън неговата граница.

За първи път такъв „остров“ се наблюдава в симетрични ядра, в които броят на протоните е равен на броя на неутроните. Откритието повдига нови въпроси за ядрената физика – на първо място, доколко са приложими предишните модели на черупките в области, които досега се смятаха за „спокойни“. Сега изследователите ще трябва да преосмислят къде все още са възможни такива структурни пренареждания и каква роля играят при тях фундаменталните сили, които държат материята заедно.