Атоми з сюрпризом: фізики знайшли несподівану ядерну аномалію там, де її не чекали
Протягом десятиліть фізики були впевнені, що добре розуміють, як поводяться атомні ядра. Таблиця Менделєєва здається впорядкованою й логічною, але за цими акуратними клітинками приховується складний і крихкий баланс сил, який утримує протони й нейтрони разом. Нове дослідження, опубліковане в журналі Nature Communications, показало: навіть у, здавалося б, «безпечних» зонах атомного світу можливі дивні збої.
У центрі відкриття — ізотопи молібдену, зокрема Mo-84 і Mo-86. Різниця між ними всього у два нейтрони, але цього виявилося достатньо, щоб внутрішня будова ядра різко змінилася. Для науковців це сигнал: деякі правила ядерної фізики можуть бути не такими вже й універсальними.
Коли правила перестають працювати
Експеримент почався з прискореного пучка іонів Mo-92, який спрямували на мішень з берилію. Після зіткнень учені відокремили утворені фрагменти й спостерігали, як поводиться Mo-86 під час подальших взаємодій. У процесі частина атомів переходила у збуджений стан Mo-84, випромінюючи гамма-кванти, коли поверталася до стабільнішої форми.
Ці сигнали зафіксували надчутливі прилади — спектрометр GRETINA та система TRIPLEX, здатні «впіймати» події, що тривають частки секунди. І саме тут з’явився сюрприз: Mo-84 поводився так, ніби його ядро деформоване. Протони й нейтрони «перестрибували» на вищі енергетичні рівні, залишаючи порожні місця, через що ядро втрачало симетрію.
Подібна поведінка зазвичай властива так званим «островам інверсії» — екзотичним ядрам, у яких звичні уявлення про стабільність не працюють. Але побачити таке в ізотопі, де кількість протонів і нейтронів майже однакова, було несподівано.
Острів інверсії там, де його не мало бути
Раніше «острови інверсії» знаходили переважно серед нейтронно-насичених елементів, наприклад берилію-12 або магнію-32. Це короткоживучі, нестабільні ядра, де класичні «магічні числа» протонів і нейтронів втрачають сенс.
Натомість Mo-84 і Mo-86 розташовані близько до так званої лінії N=Z, де кількість протонів і нейтронів збалансована. Саме тому їх вважали передбачуваними. Однак нове дослідження показало: навіть тут може виникнути нестабільність — причому за участі і протонів, і нейтронів одночасно. Така «ізоспінова симетрія» зустрічається вкрай рідко й робить це відкриття особливо цінним.
Складний експеримент і великі наслідки
Отримати такі ізотопи в лабораторії — непросте завдання. Створення ядер середньої маси з майже рівною кількістю протонів і нейтронів вимагає високоточного обладнання та унікальних методів. Саме тому подібні експерименти можливі лише в кількох лабораторіях світу.
Науковці вважають, що ці результати відкривають нові можливості для дослідження інших елементів поблизу лінії N=Z. Молібден став лише першим прикладом того, що навіть у добре вивчених ділянках атомного світу можуть ховатися несподівані явища.
Атоми все ще вміють дивувати
Минуло понад сто років відтоді, як Ернест Резерфорд уперше зазирнув усередину атома. Здавалося б, за цей час фізика мала розкрити всі таємниці ядра. Але відкриття з молібденом нагадує: навіть у «тихих» куточках періодичної таблиці можуть чекати сюрпризи.
Іноді достатньо всього двох нейтронів, щоб перевернути уявлення про те, як насправді влаштований атом.