Группа японских физиков получила рекордно тяжелые ядра кальция,состоящие из 20 протонов и 40 нейтронов; это вдвое больше числа нейтронов в ядре самого стабильного изотопа кальция и на два нейтрона больше, чем в предыдущем рекордно массивном ядре.
Ядро атома состоит из нуклонов — протонов и нейтронов, которых удерживает вместе одно из четырех фундаментальных взаимодействий, сильное взаимодействие. Количество положительно заряженных протонов определяет заряд ядра атома; оно постоянно для каждого элемента. Число электронейтральных нейтронов определяет массу ядра; оно может варьироваться у ядер одного элемента.
Некоторые соотношения протонов и нейтронов более устойчивы, чем другие. Для количества нейтронов в ядре каждого элемента существует теоретический предел, после которого ядро не может оставаться стабильным, но расчеты этого предела разнятся в зависимости от того, какая модель взаимодействия нуклонов используется для его предсказания.
Модели ядер относительно легких элементов учитывают поведение каждого нуклона, но расчеты для более тяжелых элементов очень громоздки, поэтому вычисление энергии каждого протона и нейтрона в них заменяют функционалами плотности, в которых распределение протонов и нейтронов описывается функциями от непрерывных переменных. Разные модели тяжелых ядер дают разное значение максимального количества нейтронов, способного удержаться в ядре.
Ядра 4020Ca, полученные группой физиков из японского Института физико-химических исследований RIKEN и университета штата Мичиган, тяжелее, чем предсказывали для кальция многие теоретические модели. Тяжелые ядра кальция получили на ускорителе тяжелых частиц Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF), пропуская пучки ионов цинка через бериллиевую мишень. Продукты столкновения разделили с помощью мощного магнитного сепаратора; среди них оказались тяжелые ядра кальция-59 и кальция-60 с 39 и 40 нейтронами, соответственно. Чтобы получить два ядра кальция-60, ученые выпустили по мишени 200 квадлиллиона ядер цинка.
Из 35 моделей взаимодействия нуклонов в ядре кальция две лучше всего объясняют результаты эксперимента; согласно этим же двум моделям возможно существование даже более насыщенных нейтронами изотопов, вплоть до кальция-70 с пятьюдесятью нейтронами. Это открытие, как считают авторы работы, поможет разобраться в событиях, происходящих в недрах нейтронных звезд, вещество которых состоит в основном из очень плотно «упакованных» нейтронов.