ЦЕРН: Ядро олова-132 принадлежит к двойной магической группе ядер

Физики - не волшебники, но спросите их о том, как протоны и нейтроны взаимодействуют в атомных ядрах, и вы обязательно услышите термин магия.

Согласно теории оболочечное модели строения атомов, точно так же, как электроны заполняют ряд луковичных оболочек различной энергии вокруг атомного ядра, протоны и нейтроны также занимают серию оболочек, но уже внутри ядра.

Оболочечная модель предполагает наличие магических чисел. Это количество протонов или нейтронов, при котором ядро стабильно по отношении к своим соседям. Количество протонов и нейтронов, содержащихся в атоме, определяет его стабильность. При избытке частиц и того, и другого типа ядро старается избавиться от «лишних» протонов или нейтронов, выбрасывая или альфа-частицу, «голое» ядро гелия-4, превращая один из нейтронов в протон или наоборот.

В некоторых редких случаях, когда в атоме содержится гораздо больше нейтронов, чем протонов, подобные распады приводят к выделению свободных нейтронов или пар нейтронов и электронов.

Магические числа соответсвуют заполненым оболочкам. Ядрам-счастливчикам, магичным по протонам и нейтронам (таких ядер всего 10), уделяется особое внимание.

В этой модели ядерной оболочки ядра, в которых протоны или нейтроны образуют полные оболочки, не оставляя места для большего количества частиц, называются магическими, поскольку они более стабильны, чем их ядерные соседи. Ядра с полными протонными и нейтронными оболочками называются дважды магическими и являются исключительно стабильными.

В исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, команда ученых, работающих в коллаборациях MINIBALL и HIE-ISOLDE в ЦЕРН, дает первое прямое доказательство того, что ядро?? олова-132 (132 Sn), которое считается вдвойне волшебным, действительно заслуживает этого особого статуса. Результат является первым, появившимся на недавно введенном в эксплуатацию ускорителе HIE-ISOLDE, и показывает, что этот ускоритель является ключевым средством для раскрытия внутренней работы атомных ядер.

Ядро олова-132 имеет 132 нуклона - 50 протонов и 82 нейтрона - и является одним из 10 видов из 3200 известных ядер, которые квалифицируются как дважды магические и выступают в качестве эталонов для тестирования модели ядерной оболочки. Более того, в ядерной карте, которая организует все известные ядра в соответствии с их количеством протонов и нейтронов, олово-132 Sn к ядрам, которые, как считается, образуются в астрофизическом процессе, r-процессе, ответственном за создание тяжелых элементов в космосе. Этот процесс ученые пока не полностью понимают, поэтому изучение 132 Sn может пролить свет на происхождение тяжелых элементов в космосе.

Предыдущие исследования, в которых изучалась двоякая магическая природа олова-132, были косвенными, что позволило выявить двойную волшебную природу 132 Sn путем изучения свойств его ядерных соседей.

В этом новом исследовании команда HIE-ISOLDE / MINIBALL непосредственно изучила олово-132. Ученые взяли изотопы 132 Sn, произведенные на установке ISOLDE, ускорила их в HIE-ISOLDE до энергии 5,49 МэВ (мегаэлектронвольт) на нуклон, а затем сфокусировала на мишени из свинца-206 ( 206 Pb) внутри матрицы детекторов гамма-излучения MINIBALL. Это возбуждает нуклоны в ядрах 132 Sn в состояния с более высокой энергией. Эти коллективные возбуждения, которые имеют малые шансы возникновения, затухали с испусканием гамма-квантов, которые обнаружил MINIBALL.

Анализируя количество обнаруженных гамма-квантов, авторы впервые измерили силу этих возбуждений. Таким образом, подтверждена вдвойне волшебная природа 132 Sn.

«Эти результаты стали возможными только благодаря уникальной комбинации: ISOLDE, первичная установка для производства радиоактивных изотопов; новый ускоритель HIE-ISOLDE, который обеспечивает идеальную энергию на нуклон для этого типа эксперимента; и MINIBALL, который может детектировать гамма-лучи от затухания возбуждений с высокой эффективностью и превосходным энергетическим разрешением», - объясняет Питер Рейтер, член коллаборации MINIBALL.