Никогда ранее не наблюдавшиеся соотношения частиц, составляющих атомные ядра, были обнаружены в ходе эпохального эксперимента по фрагментации тяжелых элементов. Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Разбивая ядра платины, физики под руководством Олега Тарасова из Мичиганского государственного университета открыли новые изотопы редкоземельных элементов тулия, иттербия и лютеция. Это достижение, как полагают ученые, поможет им понять свойства ядер, богатых нейтронами, и процессы, которые создают новые элементы при столкновении нейтронных звезд.
По словам исследователей, эта работа также демонстрирует мощь недавно построенной установки для пучков редких изотопов (FRIB) Мичиганского государственного университета, которая провела свой первый эксперимент в июне 2022 года.
Не все формы элемента устроены одинаково. Каждое атомное ядро состоит из ряда субатомных частиц, известных как нуклоны – протонов и нейтронов. Число протонов одинаково во всех формах элемента и определяет его атомный номер.
Однако число нейтронов может варьироваться. Эти вариации определяют так называемые изотопы элемента.
Все элементы имеют ряд изотопов, которые образуются с разным уровнем стабильности. Некоторые распадаются чрезвычайно быстро, распадаясь на более легкие элементы под воздействием ионизирующего излучения. Некоторые просто тусуются в идеальной стабильности. Понимание различных изотопов и их поведения помогает ученым понять, как Вселенная производит элементы, и оценить распространенность этих элементов в пространстве и времени.
Чтобы создать свои новые изотопы, Тарасов и его коллеги начали с изотопа платины со 120 нейтронами, называемого 198 Pt. Стандартная платина имеет 117 нейтронов; использование более тяжелого изотопа может изменить способ фрагментации ядра.
Они поместили эти атомы в FRIB, который использует ускоритель тяжелых ионов для фрагментации атомных ядер. Лучи редких изотопов обстреливают цель со скоростью, превышающей половину скорости света. Когда они достигают цели, эти изотопы распадаются на более легкие изотопы ядер; физики смогут затем обнаружить и изучить эти изотопы.
При фрагментации 198 Pt команда Тарасова обнаружила 182 Tm и 183 Tm со 113 и 114 нейтронами соответственно. Стандартный тулий имеет 69 нейтронов. Они также обнаружили 186 Yb и 187 Yb со 116 и 117 нейтронами соответственно; стандартный иттербий имеет 103 нейтрона. Наконец, они нашли 190 Лю со 119 нейтронами; стандартный лютеций имеет 104 нейтрона.
Каждый из этих изотопов был замечен при нескольких запусках ускорителя. Это означает, по словам исследователей, что FRIB можно использовать для изучения синтеза нейтронно-богатых изотопов тяжелых элементов в режимах, которыми до сих пор пренебрегали – не из-за отсутствия интереса, а из-за способности их создавать и обнаруживать.
Это, в свою очередь, может помочь нам понять, как жестокие космические события создают самые тяжелые элементы во Вселенной. Все, что тяжелее железа во Вселенной, может быть создано только в экстремальных условиях, например, в сверхновых или в столкновениях нейтронных звезд.
Одним из процессов нуклеосинтеза, наблюдаемых при столкновениях нейтронных звезд, является процесс быстрого захвата нейтронов, или r-процесс. Это происходит, когда атомные ядра быстро поглощают свободно плавающие нейтроны, высвободившиеся во время взрыва килоновой, начиная их трансформацию в более тяжелый элемент. Так мы получаем золото, стронций, платину и другие тяжелые металлы.
По их словам, эксперимент команды очень близок к воспроизведению r-процесса. Это означает, что очень скоро в нашем распоряжении может оказаться инструмент, который сможет воспроизвести один из путей нуклеосинтеза, наблюдаемый в некоторых из самых жестоких событий, которые может предложить Вселенная.
«Уникальные возможности FRIB, в том числе очень интенсивные первичные пучки с энергиями, превышающими те, которые были доступны в Национальной сверхпроводниковой циклотронной лаборатории, делают его идеальным объектом для исследования области вокруг числа нейтронов N = 126 и выше», — пишут исследователи. «Исследователи из FRIB могут использовать эти реакции для производства, идентификации и изучения свойств новых изотопов, способствуя прогрессу в ядерной физике, астрофизике и нашему пониманию фундаментальных свойств материи».
