Недавняя модификация ускорителя частиц позволила провести измерения, о которых теоретики рассуждали более 50 лет.
Альфа-распад — процесс, при котором атомное ядро испускает α-частицу, ядро гелия-4. Эта прочная связанная система из двух протонов и нейтронов туннелирует через окружающий тяжелое ядро энергетический барьер.
Ученые до сих пор не уверены, как именно внутри первичного ядра с равномерным распределением материи образуется α-частица. Физики считают, что существует механизм, по которому из нуклонов образуется кластер, который станет ядром гелия-4. Неизвестно, что запускает кластеризацию. Но если она началась, то α-частица покинет ядро. Квантово-механический процесс туннелирования ученым понятен и зависит от доступной в системе энергии.
Физики давно предполагали, что ядро теллура-104 поможет им понять механизм формирования кластеров перед альфа-распадом. Но получить такое ядро для экспериментов непросто: изотоп не встречается в природе, живет несколько наносекунд и возникает в результате распада ксенона-108, который, в свою очередь, тоже сложно получить.
Благодаря усовершенствованиям на фабрике радиоактивных изотопных пучков (RIBF) в японском научном центре RIKEN, физики наконец смогли рассмотреть процессы в теллуре-10. В системе из четырех ускорителей разогнали пучок ксенона-124 и ударили им в мишень из бериллия. При столкновении образовались фрагменты ксенона-108, которые распались до теллура-104, а он — до олова-100. Физики точно измерили жизни и энергию распада теллура-104 (Te‑104). Результаты опубликованы в журнале Nature.
«Мы измерили время жизни и энергию этого распада и обнаружили, что вероятность предформирования оказалась намного выше, чем следовало из предсказаний, основанных на имеющихся экспериментальных данных. Мы также выяснили, что теллур-104 — самое короткоживущее из известных альфа-радиоактивных ядер с периодом полураспада 7,2 наносекунды. Этот очень короткий период полураспада, скорректированный по энергии распада, дает необычно высокую вероятность предформирования альфа-частицы. По-видимому, среди всех ядер это будет единственный в своем роде случай», — рассказал профессор Роберт Гживач (Robert Grzywacz).
Ближайший похожий пример — распад полония-212 в свинец-208, у которого вероятность предформирования альфа-частицы в десять раз меньше, чем у теллура-104.
По словам Гживача, ученые представляли себе теллур-104 как недолговечную «молекулу», состоящую из олова-100 и гелия-4. Оба ядра — дважды магические, то есть у них полностью заполнены ядерные оболочки, что говорит о стабильности и высокой энергии связи внутри ядра. Исследовательская группа связывает высокую вероятность предформирования теллура-104 именно с его отношением к дважды магическому олову, которое создает благоприятные условия для образования альфа-частицы. Новые данные расширяют и дополняют понимание процессов ядерного распада.