Сотрудники Физического института им. П.Н. Лебедева (ФИАН) и Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского (ГЕОХИ РАН) исследуют зарядовый состав космических лучей в области тяжелых и сверхтяжелых ядер. С этой целью группа ученых, участвующих в проекте ОЛИМПИЯ, которым руководят доктор физ.-мат. наук Наталья Полухина (ФИАН) и кандидат физ.-мат. наук Леонид Кашкаров (ГЕОХИ), исследует метеоритные обломки, содержащие кристаллы оливинов. В изученных кристаллах оливинов из метеоритов авторы обнаружили и идентифицировали треки трех ультратяжелых ядер галактических космических лучей, заряд которых находится в интервале от 105 до 130.

С самого начала создания периодической системы элементов Д.И. Менделеева возник вопрос о ее границе. Сначала предполагали, что не могут существовать ядра с атомным номером тяжелее 170–180, поскольку, чем выше заряд ядра, тем сильнее притягиваются внутренние электроны. Однако дальнейшее развитие физики показало, что нестабильность элемента определяется нестабильностью ядра, а не электронной оболочки. Очень стабильны изотопы с четным числом протонов и нейтронов, среди них наиболее стабильны ядра, содержащие так называемое магическое число нейтронов или протонов (2, 8, 20, 50, 82, 126) – когда полностью застроены нейтронные и протонные оболочки (это кальций, олово, свинец, уран).

В таком случае, как предсказывает теория, за ураном также должны существовать стабильные элементы – сверхтяжелые.

Хорошо известен рисунок Г.Н.Флерова – символическое изображение периодической таблицы в осях «число нейтронов и число протонов», где цветом показано время жизни различных элементов. Предсказанные теорией стабильные «заурановые» элементы изображены отдельным островком на ней, и работы по синтезу новых элементов и поиску доказательств существования этого «острова стабильности» всегда были одной из актуальных проблем современной физики.

Рис. 1.

Сверхтяжелые искусственные элементы синтезируются разными способами, например, путем нейтронного синтеза – прибавили один нейтрон, ядро перенасыщено нейтронами, произошел бета-распад, образовался протон и заряд ядра повысился на единицу. Возможности нейтронного метода в земных условиях были исчерпаны на фермии (порядковый номер – 100), – требуются слишком большие плотности потоков нейтронов и высокие энергии. Как показывают теоретические расчеты, такие условия осуществимы при взрывах сверхновых звезд или в недрах пульсаров (в результате облучения ядер потоками нейтронов в нейтронной среде огромной плотности, порядка 10²⁰-10³⁰ нейтронов на см³), и, соответственно, там могут рождаться сверхтяжелые элементы.

В земных условиях сверхтяжёлые ядра рождают в столкновениях ускоренных ядер на ускорителях, например, ядра вплоть до 117 и 118 номеров таблицы Менделеева были синтезированы в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ (г.Дубна).

Однако любые теоретические предсказания или усилия по синтезу ядер на ускорителях должны быть подтверждены наблюдением сверхтяжелых ядер в природе.

Лауреат Нобелевской премии академик В.Л. Гинзбург считал проблему поиска сверхтяжелых ядер в природе и возможности существования «острова стабильности» одной из самых важных для современной физики и включил ее в свой знаменитый список «Физический минимум на начало XXI века».

«Самым естественным местом для поиска природных сверхтяжелых элементов являются космические лучи. Но поиск в космических лучах тяжелых и сверхтяжелых ядер – непростая задача, слишком мала их интенсивность в общем потоке – всего несколько частиц на квадратный метр в год. Использование метеоритов как природных детекторов космических лучей делает эту задачу более реальной, при возрасте метеоритов сотни миллионов лет просмотр всего одного кубического сантиметра метеорита может дать информацию о нескольких тысячах штук ядер тяжелых элементов галактических космических лучей», – комментирует Наталья Полухина.

Рис. 2. Кусок палласита Игл Стейшн.

Ученые ФИАН и ГЕОХИ работают с образцами двух палласитов (железно-никелевые метеориты с вкраплениями полупрозрачных кристаллов оливина), – Марьялахти (его возраст 185 млн лет) и Игл Стейшен (300 млн лет).

Полупрозрачность оливина позволяет проводить его исследование на оптическом микроскопе и извлекать информацию о ядрах, прошедших через кристалл.

Треки тяжелых ядер в кристаллах оливина, в виде дефектов материала метеорита, возникающих вдоль следа частиц, проявляются только после его травления – процесса, в чем-то аналогичного проявке фотоматериалов. Для измерения характеристик протравленного канала используется ФИАНовская установка ПАВИКОМ – «Полностью АВтоматизированный Измерительный КОМплекс».

Высокоточный комплекс позволяет в автоматическом режиме решать проблемы распознавания треков частиц, определения их геометрических параметров и сшивки следов при переходе из слоя в слой протравленного оливина.

Геометрические параметры треков зависят от заряда частицы, след которой изучается: чем выше у частицы заряд, тем длиннее будет ее трек до точки остановки при той же энергии. Однако, как правило, метеоритные кристаллы оливина небольшие, всего несколько миллиметров, длина трека тяжелого ядра чаще всего гораздо больше, поэтому оценку заряда ядра выполняют с учетом дополнительного информации о скорости травления трека.

В настоящее время в проекте ОЛИМПИЯ получены данные о зарядовом составе примерно 6000 ядер с зарядом более 55, распределение которых согласуется с данными других экспериментов.

А совсем недавно в кристаллах оливина были обнаружены и идентифицированы треки трех ультратяжелых ядер галактических космических лучей, заряд которых в первом приближении находится в интервале от 105 до 130. Фактически эти результаты являются экспериментальным подтверждением гипотезы о существовании «островов стабильности» для природных трансфермиевых ядер.