Трябва да е стабилен, а изчезва за миг
Учени в Япония станаха първите, които засякоха супертежките изотопи на кислорода - 27 и 28. Кислород-28 има 20 неутрона и 8 протона в ядрото си. Това го правеше кандидат за статут на двойно магичен изотоп или суперстабилен. Но вместо това той се оказа безкрайно нестабилен. Което обръща всички досегашни теории за структурата на ядрото и ще има и въздействие върху физиката на неутронните звезди.
Когато се говори за магически номер в ядрената физика, не става въпрос за Хари Потър. Това е ситуацията, при която атомните нуклеони (протони и неутрони) се подреждат по такъв начин, че ядрото е необичайно стабилно. Атоми с 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126 протона или неутрона трудно губят енергия при радиоактивен разпад.
Един от авторите на статията в списание “Нейчър” обяснява концепта на магическото число с модела на ядрената черупка. “Представете си, че ядрото е съставено от няколко слоя “черупки”. Нещо като лукова глава. Всяка черупка има определен брой “седалки”. Ако те се заемат от неутрони или протони, тогава черупката е “затворена”, казва обяснява професор Накамура.
Източник на стабилност
Пример за подобно нещо е кислород-16. Той има 8 неутрона и 8 протона. Два неутрона са в първата “черупка”. След това 6 неутрона запълват втората. Третата е от 8 протона. “Черупките” на частиците действат независимо една от друга и така ядрото остава доста стабилно.
Когато броят на неутроните и протоните са магични, като в кислород-16, ядрата се наричат двойно магични. Тази ситуация е изключително рядка. В природата има само още четири изотопа, които покриват това название: хелий-4, калций-40, калций-48 и олово-208.
В екзотичните ядра, които се генерират изкуствено само за кратко време, списъкът също е прекалено къс, като има само седем кандидата за статут на двойно магични. Последният бе точно кислород-28.
Измерване на четири неутрона
За да открият свойствата на кислород-28, физиците първо трябваше да го създадат. Те работят с изследователите в завода RIKEN за лъчи на радиоактивни изотопи в Уако, предградие на Токио. Насочват лъч от калций-48 със скорост 70% от този на светлината към дебел къс берилий. Ядрата на берилия действат като съвсем тънки ножове, които обират протони и неутрони от калций-48 и го превръщат във флуор-29. Новият изотоп, който продължава да се движи с 60% от скоростта на светлината, се сблъсква с протон. Така се избива един протон от ядрото и се появява кислород-28.
Самото засичане на кислород-28 и кислород-27 е изключително постижение, смята професор Накамура. Това е защото това включва наблюдение на техния разпад на кислород-24 и четири и три неутрона. “Засичане на неутрони при такава енергия е изключително сложно”, допълва Накамура. “Преди тази публикация измерването на до два неутрона бе лимитът. Знам за едно невероятно измерване на три неутрона. Но не съм срещал дори случайно измерване на четири неутрона”, обяснява той.
Липсата на магия
Екипът на Накамура има доста добри теоретични причини да очаква кислород-28 да бъде двойно магичен. Той има 8 протона и 20 неутрона. Първата “черупка” има две “седалки”. Втората - 6, а третата - 12. Идеална комбинация”, допълва Накамура. Но учените не получават това, което очакват. “Седалките” на протоните се заемат, но енергийната разлика в двете неутронни “черупки” е много слаба, като неутроните в тях се смесват. “Подобно нещо се забелязва в богати на протони ядра, но никога толкова очевидно, след като протоните са там, където трябва”, обяснява Накамура.
По време на експеримента молекулата кислород-28 се разпада в рамките на 1 зептосекунда. Или 0,000000000000000000001 секунди. Фактически нейното съществуване се доказва от продуктите, които оставя след себе си - кислород-24 и четири неутрона.
Всички учени обаче са категорични, че откритието не е провал. Според мнозина това е “важна основна точка” в модерната нуклеарна теория. Това ще позволи да се подобрят съществуващите теории за изотопите с големи отношения неутрони/протони. Изследването може да помогне за разкриването на неизвестни взаимодействия в ядрото като силите на трите неутрона, както и за изчислението на свойствата на неутронните звезди.
Въпреки че експериментът не е повторен от други учени, откритието подсказва, че всичко в модерната физика може да се преобърне. Просто магическите бройки не обясняват защо молекулите са стабилни. Още през 2009 г. беше показано, че кислород-24 се държи като двойно магически, въпреки че няма бройката протони и неутрони.
Новото изследване може да отвори пътя за бъдещи разработки, които да дадат най-накрая отговор на въпроса как частиците се “спояват” в ядрото на атомите, смята професор Майкъл Тоенесен от университета на Мичиган.
“Според мен резултатите на този експеримент демонстрират необходимостта да се изучават тези екзотични ядра дори след периода им на съществуване. Ние все още не знаем точно какво споява неутроните и протоните, за да формират ядро. Точно тези експерименти могат да ни посочат къде сме грешили до момента и да тръгнем по правилния път за разгадаване на моделите на ядрата”, казва той.
