Свежие исследования, возможно, раскрывают неожиданное изменение структуры атомных ядер. Это открытие может оказать влияние на наше понимание того, что держит ядра вместе, как взаимодействуют протоны и нейтроны, а также на процессы образования элементов. Главой исследования стал Тимоти Грей из Окриджской национальной лаборатории, принадлежащей Министерству энергетики США. Результаты исследования были недавно опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Со временем формы и энергетические уровни атомных ядер могут меняться, переходя от одной конфигурации к другой. Ядра как квантовые объекты, как правило, могут иметь сферическую или деформированную форму. Первые напоминают баскетбольные мячи, в то время как вторые больше похожи на американский футбол.
То, как связаны формы и энергетические уровни, остается ключевым нерешенным вопросом для научного сообщества. Модели структуры ядра часто ограничены отсутствием экспериментальных данных для регионов с ограниченной информацией.
Для некоторых экзотических радиоактивных ядер формы, предсказанные традиционными моделями, оказались несоответствующими наблюдаемым. Ядра, которые, согласно предсказаниям, должны были иметь сферическую форму в своем основном состоянии или в состояниях с наименьшей энергией, оказались деформированными. С использованием данных, полученных в 2022 году во время первого эксперимента на Учреждении для пучков редких изотопов (FRIB), объекте Управления науки Министерства энергетики на базе Мичиганского государственного университета, команда Грея обнаружила состояние долгоживущего возбуждения радиоактивного натрия-32. Это состояние имеет необычно продолжительное время жизни - 24 микросекунды, что примерно в миллион раз больше, чем у типичного возбужденного состояния ядра.
Такие долгоживущие состояния называются изомерами. Их длительная жизнь указывает на нечто неожиданное. Например, если возбужденное состояние было бы сферическим, то его долгая жизнь может быть объяснена трудностью возврата к деформированному основному состоянию.
Исследование включило 66 участников из 20 университетов и национальных лабораторий. Соруководители были представителями Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, Университета штата Флорида, Университета штата Миссисипи, Университета Теннесси и ОРНЛ. Для сбора данных использовался модульный многодетекторный комплекс с инициатором FRIB Decay Station (FDSi), очень чувствительный к сигнатурам распада редких изотопов.
Чтобы остановить высокоэнергетические радиоактивные лучи FRIB, двигающиеся со скоростью около 50% скорости света, был использован детектор имплантации, созданный в Университете штата Теннесси в Ноксвилле. На севере от пути луча была размещена группа гамма-детекторов, названная DEGAi, включающая 11 германиевых детекторов-клеверов и 15 быстродействующих детекторов бромида лантана. На юге от луча было размещено 88 детекторных модулей NEXTi для измерения времени пролета нейтронов, испускаемых при радиоактивном распаде.
Пучок возбужденных ядер натрия-32 был захвачен детектором и распался до деформированного основного состояния, испуская гамма-лучи. Анализ гамма-спектров для определения временных интервалов между имплантацией пучка и излучением гамма-излучения позволил определить длительность существования возбужденного состояния. Оказалось, что новый изомер существует в течение 24 микросекунд - самое длительное время жизни среди изомеров с 20-28 нейтронами, распадающихся через гамма-излучение. Примерно 1,8% натрия-32 составляет новый изомер.
Для получения более точных ответов понадобится эксперимент с более высокой мощностью луча, чтобы определить, является ли возбужденное состояние в натрии-32 сферическим. Это позволит различить между деформированным и сферическим состояниями. Обновление FRIB, которое планируется в будущем, обеспечит более высокую мощность и большее количество ядер в пучке. Более интенсивный луч позволит провести эксперимент, который разрешит этот вопрос.