Ученые из Объединенного института ядерных исследований вместе с коллегами из Института ядерной физики в Орсе (Франция) разработали уникальный детектор нейтронов и с его помощью определили вероятность радиоактивного (нейтронного) распада атомных ядер легких химических элементов. Полученные знания используются в астрофизике при решении проблемы нуклеосинтеза — процесса образования ядер химических элементов — во Вселенной и могут в будущем применяться в ядерной энергетике. Работа проходила в рамках проекта, поддерживаемого Российским научным фондом, а ее результаты были опубликованы в журнале Physical Review C.

Нейтронный распад — это вынужденное изменение состава или внутреннего строения нестабильных ядер атомов. Распад происходит путем испускания нейтронов — частиц, которые не имеют заряда. Ученые с высокой точностью определили вероятность распада нейтроноизбыточных ядер — ядер, в которых нейтронов больше, чем протонов (это и определяет их нестабильность). Ученые исследовали ядра легких элементов, число нейтронов в которых превышает 50.

Как оказалось, ядро может с определенной вероятностью принимать различные формы, причем в некоторых случаях деформированное ядро может оказаться стабильнее недеформированного (сферического). Авторы сделали вывод, что у ядер на уровне протонов и нейтронов есть необычные свойства. Так, ученые обнаружили новые виды деформации ядер, узнали, что два и более вида деформаций могут сосуществовать в одном и том же ядре.

В атомных ядрах, как и в атомах, есть оболочки. Ядра, имеющие полностью заполненные оболочки, связаны более сильно – они наиболее стабильны. Количества нейтронов или протонов, соответствующие заполненным оболочкам, называются магическими числами. Это числа 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126. Но последние исследования говорят о том, что есть другие значения, при которых стабильность ядра увеличивается. Ученые утверждают, что в ядрах появляются новые магические числа, которые влияют на вероятность распада этих ядер.

Физикам удалось добиться такого результата с помощью созданного в Дубне уникального нейтронного детектора — прибора для регистрации нейтронов с высокой эффективностью. Из-за отсутствия электрического заряда нейтроны не оставляют после себя никаких следов – заряженных частиц с высокой энергией, которые являются «сигналом» для большинства приборов. Поэтому нейтронный детектор содержит модератор и счетчик. Модератор состоит из полиэтилена, в котором нейтроны замедляются. Потом медленные нейтроны взаимодействуют с рабочим веществом счетчика (газ 3Не), и в результате этого рождаются заряженные частицы, которые и регистрируются детектором. В своей работе авторы использовали нейтронный детектор полной геометрии (ТЕТРА) на пучке радиоактивных ядер ускорительного комплекса АЛТО в Орсе, Франция. По словам ученых, это крайне эффективная установка, позволяющая изучать распад нейтроноизбыточных ядер легких элементов.

«Этот результат важен для других близких областей науки. Так, полученные данные позволяют определить вероятность образования легких элементов, количество протонов в атомных ядрах которых варьируется от 10 до 70. Эта характеристика распада имеет большое значение при расчетах процесса нуклеосинтеза в астрофизике. Созданный нейтронный детектор может быть использован для исследований нейтронного распада в различных ядерных процессах, в том числе при делении тяжелых ядер, используемых в ядерной энергетике», — рассказал один из авторов работы Юрий Пенионжкевич, руководитель проекта РНФ, профессор, руководитель научного сектора Объединенного института ядерных исследований.