Ученые из Университета Теннесси сделали несколько важных открытий, которые помогают понять, как во Вселенной формируются тяжелые элементы, включая золото и платину. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters (PRL).
Тяжелые элементы возникают в экстремальных космических условиях — например, при взрывах сверхновых или столкновениях нейтронных звезд. В таких событиях запускается так называемый r-процесс (rapid neutron capture) — быстрый захват нейтронов атомными ядрами. Ядра последовательно поглощают нейтроны, становятся нестабильными и затем распадаются, превращаясь в более устойчивые элементы.
Однако многие ядра, участвующие в этом процессе, чрезвычайно редки и существуют доли секунды, поэтому их сложно исследовать напрямую. Чтобы изучить эти превращения, физики провели эксперименты на установке ISOLDE в CERN.
Исследователи работали с редким изотопом индия-134. При его распаде образуются возбужденные состояния изотопов олова — олово-134, олово-133 и олово-132. Для регистрации продуктов распада ученые использовали специальный нейтронный детектор.
Самым важным результатом стало первое измерение энергии нейтронов, возникающих при так называемом бета-запаздывающем испускании двух нейтронов. Этот редкий тип распада происходит только в очень нестабильных ядрах.
«Выделение двух нейтронов — самый важный результат нашей работы», — отметил профессор Роберт Гживоч из Университета Теннесси.
Такие процессы трудно измерять, поскольку нейтроны легко рассеиваются, и экспериментально сложно определить, испустило ли ядро один нейтрон или два. В предыдущих экспериментах энергии нейтронов вообще не измерялись, поэтому новая методика открывает новые возможности для исследований.
Вторым важным результатом стало первое наблюдение давно предсказанного нейтронного состояния в ядре олова-133. По словам ученых, это состояние представляет собой промежуточный этап в процессе испускания двух нейтронов.
Ранее считалось, что после распада ядро быстро «теряет память» о предыдущем состоянии и просто испускает нейтроны для охлаждения. Однако новые данные показывают, что ядро частично сохраняет информацию о том, как оно образовалось.
Третье открытие связано с тем, что новое состояние ядра возникает не так, как предсказывали существующие статистические модели. Это означает, что теоретические представления о поведении нестабильных ядер могут быть неполными.
Полученные результаты помогут улучшить модели r-процесса и точнее описывать образование тяжелых элементов в космических катастрофах.
По словам ученых, дальнейшие исследования нестабильных ядер могут изменить представления о том, как формируются химические элементы во Вселенной и какие процессы происходят в самых экстремальных астрофизических событиях.
Ранее был найден способ объединить две главные физические теории.