В ядерной физике «магические числа» обозначают определенное количество протонов или нейтронов, с которым ядро становится особенно стабильным. Нахождение этих чисел помогает ученым лучше понять структуру атомных ядер.
Для стабильных долгоживущих изотопов магические числа давно известны, однако для экзотических короткоживущих изотопов они изучены хуже. Исследование таких редких случаев позволяет глубже понять «строительный код» ядер в экстремальных условиях. Это, в свою очередь, улучшает наше понимание процессов образования элементов во Вселенной и проливает свет на природу ядерных сил.
В Институте современной физики (IMP) Китайской академии наук впервые с высокой точностью измерили массу крайне нестабильного и нейтронодефицитного ядра кремния-22 и показали, что 14 протонов в этом ядре — новое магическое число. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Когда количество протонов или нейтронов достигает «магического числа» (например, 2, 8, 20, 28, 50, 82 или 126), ядро становится более стабильным. Объяснение этому явлению в 1940–1950-х дали Мария Гёпперт-Майер и Ханс Йенсен в рамках оболочечной модели ядра, за что получили Нобелевскую премию по физике в 1963 году.
В последние годы изучение экзотических ядер, далеких от «долины стабильности» — области на карте нуклидов, в которую входят стабильные изотопы, — позволило найти новые магические числа нейтронов: 14, 16, 32 и 34. Однако новые магические числа протонов в экспериментальных наблюдениях встречаются редко.
Ранее ученые обнаружили, что в ядре кислорода-22 (14 нейтронов и 8 протонов) число нейтронов 14 проявляет свойства магического. Основываясь на зеркальной симметрии ядер, теоретики предположили, что число протонов 14 также должно быть магическим в зеркальном ядре — кремнии-22 (8 нейтронов и 14 протонов). Однако создание и измерение кремния-22 весьма затруднено из-за его низкого выхода и короткого периода полураспада, поэтому предсказание долгое время оставалось неподтвержденным.
Используя усовершенствованную изохронную масс-спектроскопию с определением магнитной жесткости, исследователи IMP успешно измерили массу основного состояния кремния-22 в накопительном кольце Ускорительного комплекса тяжелых ионов в Ланьчжоу. Они также повысили точность измерения массы ранее изученного кремния-23 почти в семь раз.
Результаты показали, что кремний-22 имеет положительную энергию разделения двух протонов — то есть не подвержен спонтанному двухпротонному распаду. Это подтверждает его статус ядра на границе протонной стабильности без двухпротонной радиоактивности, разрешая давний спор в ядерной физике.
С новым значением массы физики рассчитали энергию парного взаимодействия протонов в кремнии-22 и сравнили ее с энергией парного взаимодействия нейтронов в зеркальном ему кислороде-22, выявив новое магическое число протонов 14. Этот вывод подтверждается расчетами в рамках оболочечной модели Гамова — усовершенствованной теории, описывающей поведение ядер на границах стабильности.
Хотя кремний-22, как и кислород-22, демонстрирует свойства дважды магического ядра, исследование показало, что пространственное распределение протонов в нем более размыто по сравнению с распределением нейтронов в кислороде-22, что указывает на небольшое нарушение симметрии.
Эта работа углубляет понимание структуры экзотических ядер и дает новую информацию о взаимодействии нуклонов и существовании предельно нестабильных ядерных систем.
Физики изобрели перспективный способ создания новых сверхтяжелых элементов
Чтобы узнать, как выглядят атомные ядра, физики разбили их вдребезги
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram