Физики из США и Великобритании впервые экспериментально измерили период полураспада ядра теллура-104 на ядро олова-100 и альфа частицу, который составил примерно 18 наносекунд. Это самый быстрый альфа-распад, который наблюдался на практике. Кроме того, измерения ученых подтверждают теоретические расчеты, выполненные в рамках оболочечной модели ядра. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

В 1899 году Эрнест Резерфорд обнаружил, что ядра радиоактивных элементов испускают заряженные альфа-частицы — ядра гелия-4, полностью лишенные электронов. Несколькими годами позже Ханс Гейгер и Джон Неттолл выяснили, что энергия таких частиц связана со временем полураспада и атомным номером ядра довольно простым законом. Объяснить этот закон удалось только в 1928 году, когда была построена Квантовая механика. Согласно теории, разработанной Георгием Гамовым, альфа-распад происходит по следующему сценарию.

Сначала протоны и нейтроны объединяются в альфа-частицу внутри ядра, но не могут покинуть его из-за высокого потенциального барьера, который создают ядерные и кулоновские силы. Тем не менее, с очень маленькой вероятностью частица может протуннелировать сквозь этот барьер. Как только частица окажется за пределами барьера, она отталкивается от ядра (обе частицы заряжены положительно) и улетает на бесконечность — происходит распад. Вероятность распада тем меньше, чем меньше энергия частицы и чем больше ширина и высота барьера. Если нуклонов в ядре много, барьер получается выше, вероятность протуннелировать меньше, и время полураспада увеличивается.

Впрочем, в этих рассуждениях есть одно тонкое место. Чтобы рассчитать вероятность распада, нужно перемножить вероятность образования альфа-частицы внутри ядра и вероятность ее туннелирования сквозь потенциальный барьер. Вторую вероятность довольно легко вычислить, зная форму потенциального барьера. Рассчитать первую вероятность гораздо сложнее: для этого нужно найти волновые функции системы до и после образования альфа-частицы, а потом оценить степень их перекрытия. Для таких оценок удобнее всего использовать оболочечную модель ядра, в которой нуклоны последовательно заполняют энергетические уровни (оболочки), возникающие в общем потенциале. К сожалению, даже после таких упрощений теоретически рассчитать вероятность образования альфа-частицы очень сложно.

Тем не менее, расчеты значительно упрощаются, если число протонов и нуклонов ядра близко к «магическим числам», при которых оболочки ядра практически полностью заполнены. В этом случае ядро можно разбить на две части — основной массив нуклонов, собранных в плотный шарик, и несколько нуклонов, которые вращаются вокруг него и легко отрываются, превращаясь в альфа-частицу. Ранее такие расчеты для ядра полония-212, которое распадается до «дважды магического» ядра свинца-208 (82 протона, 126 нейтронов), выполнила группа ученых под руководством Кальмана Варга (Kalman Varga). Их результат хорошо совпадал с экспериментально измеренной вероятностью, а потому его можно считать «проверкой» существующей теории альфа-распада.

Группа ученых под руководством Дариуша Северыняка (Dariusz Seweryniak) повторила эту «проверку», заменив ядро полония-212 на ядро теллура-104, которое распадается до другого «дважды магического» ядра — олова-100 (50 протонов, 50 нейтронов). К сожалению, теллур-104 распадается слишком быстро, чтобы этот процесс можно было исследовать напрямую — ожидаемый период полураспада ядра составляет всего несколько наносекунд, что примерно в сто раз меньше, чем время пролета изотопов через сепаратор. Поэтому физики изучали распад ксенона-108, которые рождается при столкновении ядер железа-54 и никеля-58, а затем последовательно превращается в теллур-104 и олово-100, излучая две альфа-частицы. Наблюдая за распадами ядер с помощью кремниевых детекторов, исследователи измерили энергию, направление движения и время регистрации этих частиц. Наконец, физики восстановили происходящие процессы и рассчитали периоды полураспада частиц, «подгоняя» параметры реакций так, чтобы они лучше всего объясняли наблюдаемые данные.

Пример сигнала, записанного детектором. Пустыми кружками отмечены распады ксенона-108 и теллура-104, а во врезе приведено распределение вероятностей для этих событий/K. Auranen et al. / Physical Review Letters

В результате ученые обнаружили, что период полураспада ядра теллура-104 составляет примерно 18 наносекунд — это самая высокая скорость альфа-распада, которая наблюдалась на практике. Другими словами, вероятность образования альфа-частицы внутри ядра, которая по меньшей мере в пять раза больше, чем вероятность аналогичного процесса в полонии-212. Это хорошо согласуется с расчетами вероятности в рамках оболочечной модели, которая предсказывает пятикратное усиление вероятности. В то же время, расчеты в рамках оболочечной модели с компле́ксной энергией предсказывают гораздо меньшее усиление. Авторы статьи считают, что расхождение может указывать на важную роль протон-нейтронных взаимодействий, которыми не учитывались в этой модели.

Наиболее вероятное значение вероятности альфа-распада для теллура-104 и ксенона-108 в сравнении с вероятностью для полония-212. Сплошная линия отвечает наиболее вероятным значениям для ксенона-108, пунктирные линии задают верхнюю и нижнюю допустимую границу, закрашенные области полностью исключены экспериментом. Стрелкой отмечено наиболее вероятное значение для теллура-104/K. Auranen et al. / Physical Review Letters

Хотя оболочечная модель корректно описывает формирование атомного ядра и позволяет рассчитать несколько первых «магических чисел», оно хорошо работает для сравнительно легких элементов. Например, в феврале этого года физики из Новой Зеландии, Норвегии и США показали, что ядерные и электронные оболочки атомы Оганессона (118 элемента) размываются и переходят в состояние ферми-газа.

Поскольку период полураспада этого элемента составляет менее одной миллисекунды, ученые не могли исследовать эти свойства напрямую, но изучали его с помощью численного моделирования. Кроме того, в августе 2018 группа CLAS подтвердила, что в ядрах тяжелых изотопов с избыточным числом нейтронов существуют короткодействующие корреляции между протонами и нейтронами. Из-за таких корреляций, которые нельзя объяснить в рамках оболочечной модели, в ядре образуются связанные нейтрон-протонные пары, которые при бомбардировке ядра электронами превращаются в сверхбыстрые нуклоны.