|
Путь к разгадке тайны радиоактивных ядер
|
|
|
|
Тимоти Грей из Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики провел исследование, которое, возможно, выявило неожиданное изменение формы атомного ядра. Неожиданное открытие может повлиять на наше понимание того, что удерживает ядра вместе, как взаимодействуют протоны и нейтроны и как образуются элементы. «Мы использовали радиоактивные пучки возбужденных ядер натрия-32, чтобы проверить наше понимание ядерных форм, далеких от стабильности, и обнаружили неожиданный результат, который поднимает вопросы о том, как развиваются ядерные формы», — сказал Грей, физик-ядерщик. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Формы и энергии атомных ядер могут меняться со временем между различными конфигурациями. Как правило, ядра живут как квантовые сущности, которые имеют либо сферическую, либо деформированную форму. Первые выглядят как баскетбольные мячи, а вторые напоминают американский футбол.
|
|
|
|
Как соотносятся формы и энергетические уровни, является основным открытым вопросом для научного сообщества. Модели ядерной структуры трудно экстраполировать на регионы с небольшим количеством экспериментальных данных. Для некоторых экзотических радиоактивных ядер формы, предсказываемые традиционными моделями, противоположны наблюдаемым. Радиоактивные ядра, которые должны были быть сферическими в своем основном состоянии или конфигурациях с самой низкой энергией, оказались деформированными. В принципе, энергия возбужденного деформированного состояния может упасть ниже энергии сферического основного состояния, что делает сферическую форму высокоэнергетической. Неожиданно эта смена ролей происходит для некоторых экзотических ядер, когда естественное соотношение нейтронов и протонов становится несбалансированным. Тем не менее, возбужденные сферические состояния после обращения так и не были обнаружены. Это как если бы основное состояние деформировалось, все возбужденные состояния тоже деформируются.
|
|
|
Существует множество примеров ядер со сферическими основными состояниями и деформированными возбужденными состояниями. Точно так же многие ядра имеют деформированные основные состояния и последующие возбужденные состояния, которые также деформированы — иногда с различной степенью или видом деформации. Однако ядра как с деформированным основным состоянием, так и со сферическими возбужденными состояниями гораздо более неуловимы. Используя данные, собранные в 2022 году в ходе первого эксперимента на Учреждении для пучков редких изотопов, или FRIB, пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики Мичиганского государственного университета, команда Грея обнаружила долгоживущее возбужденное состояние радиоактивного натрия-32. Недавно наблюдаемое возбужденное состояние имеет необычно долгое время жизни — 24 микросекунды — примерно в миллион раз больше, чем типичное возбужденное состояние ядра. Долгоживущие возбужденные состояния называются изомерами. Долгая жизнь указывает на то, что происходит что-то непредвиденное. Например, если возбужденное состояние сферическое, трудность возврата в деформированное основное состояние может объяснить его долгую жизнь.
|
|
|
|
В исследовании приняли участие 66 участников из 20 университетов и национальных лабораторий. Соруководители пришли из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, Университета штата Флорида, Университета штата Миссисипи, Университета Теннесси, Ноксвилл и ORNL. В эксперименте 2022 года, в ходе которого были получены данные, использованные для результата 2023 года, использовался инициатор FRIB Decay Station, или FDSi, модульная мультидетекторная система, которая чрезвычайно чувствительна к сигнатурам распада редких изотопов. «Универсальная комбинация детекторов FDSi показывает, что долгоживущее возбужденное состояние натрия-32 доставляется в луч FRIB, а затем он распадается внутри, излучая гамма-лучи в основное состояние того же ядра», — сказал Митч Олмонд из ORNL. соавтор статьи, который руководит проектом FDSi.
|
|
|
|
Чтобы остановить высокоэнергетический радиоактивный луч FRIB, который движется со скоростью около 50% скорости света, в центре FDSi был установлен детектор имплантации, созданный UT Knoxville. К северу от линии луча находилась матрица детекторов гамма-излучения под названием DEGAi, состоящая из 11 германиевых клеверных детекторов и 15 быстродействующих детекторов бромида лантана. К югу от линии пучка находились 88 модулей детектора NEXTi для измерения времени пролета нейтронов, испускаемых при радиоактивном распаде.
|
|
|
|
Пучок возбужденных ядер натрия-32 останавливался в детекторе и распадался до деформированного основного состояния, испуская гамма-лучи. Анализ спектров гамма-излучения для выявления разницы во времени между имплантацией пучка и испусканием гамма-излучения показал, как долго существовало возбужденное состояние. Существование нового изомера в течение 24 микросекунд было самым продолжительным временем жизни среди изомеров с 20–28 нейтронами, которые распадаются с помощью гамма-излучения. Было обнаружено, что примерно 1,8% ядер натрия-32 представляют собой новый изомер. «Мы можем придумать две разные модели, которые одинаково хорошо объясняют энергию и время жизни, которые мы наблюдали в эксперименте», — сказал Грей.
|
|
|
|
Необходим эксперимент с более высокой мощностью луча, чтобы определить, является ли возбужденное состояние в натрии-32 сферическим. Если это так, то состояние будет иметь шесть квантованных единиц углового момента, что является свойством ядра, связанным с его вращением всего тела или орбитальным движением его отдельных протонов и/или нейтронов вокруг центра масс. Однако если возбужденное состояние в натрии-32 деформируется, то состояние будет иметь нулевые квантованные единицы углового момента. Запланированное обновление до FRIB обеспечит большую мощность, увеличив количество ядер в пучке. Данные более интенсивного луча позволят провести эксперимент, который различает две возможности. «Мы бы охарактеризовали корреляции между углами двух гамма-лучей, испускаемых каскадом», — сказал Грей. «Эти две возможности имеют очень разные угловые корреляции между гамма-лучами. Если у нас будет достаточно статистики, мы сможем распутать закономерность, которая даст четкий ответ».
|
|
|
|
Источник
|
