С помощью нового оборудования, разработанного и сконструированного в Университете штата Мичиган (Michigan State University, MSU), удалось произвести первые в своем роде измерения характеристик некоторых редких ядер, одно из которых является «святым Граалем» экспериментальной ядерной физики

Открытия, сделанные в MSU в Национальной лаборатории сверхпроводящего циклотрона США(NSCL) с применением технологии выделения изотопов, помогут усовершенствовать теоретические модели, описывающие процессы возникновения атомов различных элементов в космосе. До сих пор возможности имеющегося технического арсенала не позволяли осуществить эту задачу ни в одной из ядерных лабораторий мира.

Готовящаяся к печати в декабрьском номере журнала Physical Review Letters работа описывает полученные учеными изотопы олова, кадмия и индия.

«Олово-100, в частности, является разновидностью «святого Грааля» экспериментальной ядерной физики»,  – рассказывает руководитель лаборатории Дэниэл Базин (Daniel Bazin) об одном из изучаемых изотопов. – Он содержит 50 протонов и 50 нейтронов».

В ядерной физике число 50 считается «магическим» из-за того, что это одно из чисел, связываемых учеными с усилением стабильности ядра. Другие «магические» числа – это 2, 8, 20, 28, 82 и 126.

«Магические числа» протонов или нейтронов заполняют внутренние энергетические неоднородности, образующие структуру наподобие куклы-матрешки. Чтобы понять этот принцип, заметим, что каждая отдельная кукла отличается от следующей по объему; этот объем можно плотно заполнить вполне определенным, «магическим» числом шариков определенного размера. И только когда кукла не на четверть и не на половину, а плотно укомплектована шариками, она будет наиболее цельной – таким же образом ядра, укомплектованные «магическим» числом протонов или нейтронов, становятся более устойчивыми, чем их аналоги, не обладающие таким свойством.

Олово-100 – это одно из таких дважды «магических» ядер: оно состоит из 50 протонов и 50 нейтронов. Такие ядра в целом более стабильны, чем другие частицы, особенно это отражается при смещении к краевым условиям существования атома. Поскольку они стабильны, такие дважды «магические» ядра служат полезными полупостоянными реперными точками при исследованиях редких изотопов, когда изучают структуры возникающих в необычных условиях ядер в поиске ответа на базовые вопросы о структуре ядерного вещества и о процессах образования химических элементов в звездах.

Новая экспериментальная установка – радиочастотный фрагмент-сепаратор обеспечивает по меньшей мере 100-кратное улучшение фильтрования некоторых экзотических изотопов из целого океана других частиц, образуемых его системой сверхпроводящих циклотронов и отводящих магнитов. Эта установка была профинансирована Национальным Научным Фондом США (NSF).

Ведущий научный сотрудник Daniel Bazin проводит настройку радиочастотного фрагмент-сепаратора, который позволяет ускорить поиск богатых протонами редких изотопов

Этот новый метод фильтрования дал возможность впервые в Северной Америке получить и произвести измерения характеристик олова-100, к экспериментальному изучению которого с середины 1990-х годов прилагались большие усилия. Научные центры GSI в Германии и GANIL во Франции – это единственные в мире площадки, оборудование которых позволяло до сих пор производить и изучать редкие, богатые протонами изотопы олова – элемента, находящего применение в течение тысячелетий во всем, начиная с древних копий и ножей и до автомобилей и современных электронных устройств.

В готовой к публикации работе ученые также сообщают об измерениях времени полураспада изотопов кадмия-96, имеющего 48 протонов и 48 нейтронов и индия-98, имеющего 49 протонов и 49 нейтронов.

Это сообщение о наблюдении трех редких изотопов обозначило успех Национальной лаборатории сверхпроводящего циклотрона в создании ядерного вещества, которое может существовать только в экстремальных условиях в космосе, например, во взрывающихся звездах.

Лаборатория в настоящее время проводит дальнейшее усовершенствование инструментальной базы, финансируемое главным образом Университетом штата Мичиган. Главным приобретением лаборатории стал новый замедлитель частиц до низкой энергии (low-energy reaccelerator), с помощью которого будут проводиться исследования в области астрофизики. Когда в середине 2010 году лаборатория будет окончательно оснащена, она станет беспрецедентно оборудованной для проведения экспериментов с быстрыми, остановленными и замедленными пучками редких изотопов.

Мария Костюкова