ЧНовые измерения экзотической формы магния . уть более десяти лет назад ученые выдвинули атомы магния к новым пределам, заталкивая дополнительные нейтроны в их ядра в направлении – и, возможно, достижения – максимального предела для этого элемента.

Это оборудование на Японском заводе по производству радиоактивных изотопных пучков в Вако, Япония, использовалось в эксперименте для создания экзотического изотопа магния. Фото: RIKEN Nishina Центр ускорительной науки

Теперь международная команда во главе с учеными из Национальной лаборатории Министерства энергетики им. Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) воспроизвела эту экзотическую систему, известную как магний-40, и обнаружила новые и удивительные подсказки о ее ядерной структуре.

«Магний-40 находится на пересечении, где есть много вопросов о том, как он на самом деле выглядит», – говорит Хизер Кроуфорд, штатный сотрудник Отдела ядерных наук в лаборатории Беркли и ведущий автор этого исследования, опубликованного в сети 7 февраля. в журнале Physical Review Letters . «Это чрезвычайно экзотический вид».

В то время как число протонов (которые имеют положительный электрический заряд) в его атомном ядре определяет атомный номер элемента – где он находится в периодической таблице – количество нейтронов (которые не имеют электрического заряда) может отличаться. Наиболее распространенный и стабильный тип атома магния, обнаруженный в природе, имеет 12 протонов, 12 нейтронов и 12 электронов (которые имеют отрицательный заряд).

Атомы одного и того же элемента с различным количеством нейтронов известны как изотопы. Изотоп магния-40 (Mg-40), который исследовали исследователи, имеет 28 нейтронов, что может быть максимумом для атомов магния. Для данного элемента максимальное количество нейтронов в ядре называется «линией нейтронной капли» – если вы попытаетесь добавить еще один нейтрон, когда он уже находится в емкости, дополнительный нейтрон немедленно «капнет» из ядра.

«Он чрезвычайно богат нейтронами», – сказал Кроуфорд. «Неизвестно, находится ли Mg-40 на линии капельного орошения, но это, безусловно, очень близко. Это один из самых тяжелых изотопов, который вы можете в настоящее время получить экспериментально вблизи капельной линии».

Форма и структура ядер вблизи капельной линии особенно интересны физикам-ядерщикам, поскольку они могут научить их фундаментальным вещам о том, как ядра ведут себя в экстремальных условиях существования.

«Интересный вопрос, который возникает у нас в голове, когда вы подходите так близко к линии каплеобразования, заключается в следующем:« Меняется ли способ, которым нейтроны и протоны располагаются друг с другом?», – сказал Пол Фэллон, старший научный сотрудник из Отделения ядерных наук лаборатории Беркли. и соавтор исследования. «Одна из основных целей в области ядерной физики – понять структуру от ядра элемента до линии каплеобразования».

Такое фундаментальное понимание может информировать теории о взрывных процессах, таких как создание тяжелых элементов при слияниях звезд и взрывах, сказал он.

Исследование основано на экспериментах на Японской фабрике радиоактивных изотопных пучков (RIBF), которая расположена в Центре научных исследований ускорителей RIKEN Nishina в Вако, Япония. Исследователи объединили мощность трех циклотронов – типа ускорителя частиц, впервые разработанного основателем лаборатории Беркли Эрнестом Лоуренсом в 1931 году – для создания пучков частиц очень высокой энергии, движущихся со скоростью около 60 процентов скорости света.

Изображение вторичного пучка «коктейля»

Изображение вторичного пучка «коктейля», полученное в японском циклотронном центре для исследования Mg-40, экзотического изотопа магния. Ось X показывает отношение массы к заряду, а ось Y показывает атомный номер. Это изображение было размещено на обложке журнала Physical Review Letters . Фото: HL Crawford et al ., Phys. Преподобный Летт . 122, 052501, 2019

Исследовательская группа использовала мощный луч кальция-48, который является стабильным изотопом кальция с магическим числом протонов (20) и нейтронов (28), чтобы ударить вращающийся диск из углерода толщиной в несколько миллиметров.

Некоторые из ядер кальция-48 врезались в ядра углерода, в некоторых случаях производя изотоп алюминия, известный как алюминий-41. В эксперименте по ядерной физике были выделены эти атомы алюминия-41, которые затем были направлены на поражение пластмассовой мишени толщиной в сантиметры (СН2). Удар с этой вторичной мишенью выбил протон из некоторых ядер алюминия-41, создавая ядра Mg-40.

Эта вторая мишень была окружена детектором гамма-излучения, и исследователи смогли исследовать возбужденные состояния Mg-40 на основе измерений гамма-излучения, испускаемого при взаимодействиях пучка и мишени.

В дополнение к Mg-40 измерения также захватили энергии возбужденных состояний в других изотопах магния, включая Mg-36 и Mg-38.

«Большинство моделей заявили, что Mg-40 должен выглядеть очень похоже на более легкие изотопы», – сказал Кроуфорд. «Но это не так. Когда мы видим что-то, что выглядит совсем по-другому, задача состоит в том, чтобы новые теории уловили все это».

Поскольку теории в настоящее время не согласуются с тем, что было замечено в экспериментах, необходимы новые расчеты, чтобы объяснить, что меняется в структуре ядер Mg-40 по сравнению с Mg-38 и другими изотопами.

Фэллон сказал, что многие расчеты показывают, что ядра Mg-40 очень деформированы и, возможно, имеют форму футбола, поэтому два добавленных нейтрона в Mg-40 могут жужжать вокруг ядра, образуя так называемое ядро ​​гало, а не включаться в него. форма проявляется соседними изотопами магния.

«Мы размышляем над некоторыми физиками, но это должно быть подтверждено более подробными расчетами», – сказал он.

Кроуфорд сказал, что дополнительные измерения и теория работают на Mg-40, и что соседние изотопы могут помочь положительно идентифицировать форму ядра Mg-40 и объяснить, что вызывает изменение в структуре ядра.

Исследователи отметили, что Центр ядерной физики для редких изотопных пучков, новый объект для научных работников Министерства энергетики США, который строится в Университете штата Мичиган, в сочетании с массивом для отслеживания энергии гамма-лучей (GRETA), строящимся в лаборатории Беркли, позволит в дальнейшем изучение других элементов вблизи ядерной капельной линии.

По материалам phys.org