В ядерной физике долгое время считалось, что так называемые «Острова инверсии» – это аномальные области, встречающиеся преимущественно в изотопах с избытком нейтронов. В этих регионах привычные законы, описывающие структуру атомного ядра, перестают работать. Исчезают известные «магические числа» стабильности, сферическая форма ядер нарушается, и они приобретают сильно искаженный, деформированный вид. До недавнего времени все известные примеры, такие как бериллий-12 или магний-32, относились к крайне нестабильным, богатым нейтронами ядрам, далеким от стабильных элементов.
Однако недавнее исследование международной группы ученых, включающей специалистов из Института фундаментальных наук (IBS), Университета Падуи и Мичиганского государственного университета, привело к неожиданному открытию. Исследователи обнаружили «Остров инверсии» там, где его никто не ожидал – в одной из самых симметричных областей ядерной карты, где число протонов и нейтронов одинаково. Это открытие меняет устоявшиеся представления о фундаментальных силах, удерживающих атомные ядра.
В центре внимания оказались два редких изотопа молибдена: молибден-84, в котором число протонов и нейтронов равно 42, и молибден-86 с 44 нейтронами. Эти изотопы чрезвычайно трудно получить в лабораторных условиях. Используя пучки редких изотопов в Мичиганском государственном университете и сверхчувствительные детекторы гамма-излучения, команда с пикосекундной точностью измерила время жизни возбужденных состояний ядер, что позволило определить их внутреннюю структуру и форму.
Результаты продемонстрировали поразительный контраст. Несмотря на разницу всего в два нейтрона, поведение изотопов оказалось кардинально различным. Ядро молибдена-84 показало необычайно сильное коллективное движение, при котором большое количество протонов и нейтронов согласованно перемещается через основной энергетический барьер. Этот процесс, известный как «возбуждение типа частица-дырка», приводит к тому, что ядро теряет свою сферическую форму и становится сильно деформированным.
Теоретические расчеты показали, что в ядре молибдена-84 происходит масштабная реорганизация, в которой участвуют одновременно восемь частиц и восемь «дырок» – пустых мест на нижних энергетических уровнях. Этот эффект обусловлен сочетанием протон-нейтронной симметрии и сужением энергетического зазора в ядрах, где число протонов и нейтронов близко к 40. Примечательно, что воспроизвести такой результат в моделях удалось только при учете так называемых трехнуклонных сил – сложных взаимодействий, в которых участвуют сразу три частицы. В то же время молибден-86 демонстрирует гораздо более скромные возбуждения и остается значительно менее деформированным.
Таким образом, молибден-84 находится внутри нового, ранее неизвестного «изоспин-симметричного Острова инверсии», в то время как его ближайший сосед молибден-86 остается за его пределами. Это открытие не только представляет первый пример такой аномалии в симметричной протон-нейтронной системе, но и заставляет пересмотреть фундаментальные предположения о том, где могут формироваться эти необычные ядерные структуры, открывая новые горизонты в понимании сил, управляющих материей.