Физики из японского инстиута RIKEN и их коллеги из Германии и США сообщили о достоверном наблюдении девяти событий, соответствующих рождению богатого нейтронами изотопа натрия-39. Этот результат поможет определить нейтронную границу стабильности — один из важнейших параметров, который пытаются воспроизвести различные теории ядерных взаимодействий.
Упаковка нуклонов в ядре немного похожа на то, как электроны располагаются на своих орбитах в атоме, в том смысле, что и то, и другое — это квантовые частицы, фермионы, подчиняющиеся принципу запрета Паули. У нуклонов, однако, нет единого центра притяжения: они связываются друг с другом и за счет этого локализуются. Строго говоря, нуклон-нуклонное взаимодействие — это главная сила, определяющая свойства атомных ядер, в то время как электрон-электронное отталкивание обычно много меньше, чем притяжение электронов к ядру. Наконец, взаимодействие двух заряженных частиц определяется простым законом Кулона, изотропным и обратно пропорциональным квадрату расстояния. Ядерные же силы физики до конца не понимают, но уже сейчас можно с уверенностью сказать, что форма соответствующих потенциалов, если таковые вообще существуют, явно должна быть нетривиальной.
Непростую судьбу теорий ядерных сил осложняют трудности с их проверками, поскольку доступ у ученых к процессам внутри ядер не такой большой, как в случае атомов. Сейчас мы знаем, что некоторые ядерные изотопы более стабильны, некоторые менее, а некоторые не могут существовать в принципе. Граница, разделяющая последние две категории, носит название границы стабильности (drip line). Ее можно представить в виде линии на N-Z диаграмме атомных ядер, охватывающую долину стабильности. Граница стабильности остается важным ориентиром для теорий, которые пытаются ее предсказать.
Поиск нейтронной границы стабильности (еще бывает аналогичная граница для протонов) происходит путем синтеза ядер, богатых нейтронами, однако чем больше заряд ядра Z, тем сложнее это делать. Физики успешно прочерчивали ее для изотопов с небольшим числом протонов вплоть до конца прошлого столетия, когда стало понятно, что для кислорода (Z = 8) дальше изотопа 24O стабильных ядер нет. Три года назад ученым из Германии, США и Японии под руководством Тосиюки Кубо (Toshiyuki Kubo) из института RIKEN удалось продвинуться дальше по таблице Менделеева и обнаружить границу стабильности для фтора (Z = 9) и неона (Z = 10): 31F и 34Ne, соответственно. Сейчас же эта коллаборация сообщила, что им удалось отодвинуть эту границу для натрия (Z = 11), зафиксировав его стабильный изотоп 39Na.
Новое исследование по большей части повторяет предыдущий эксперимент. Физики готовили интенсивный пучок ионов кальция-48 с энергией в 345 мегаэлектронвольт на нуклон и направляли его на 20-миллиметровую бериллиевую мишень. В результате рассеяния образовывалось множество осколков в виде изотопов, которые попадали в сепаратор, сортирующий их по заряду и отношению массы к заряду. Новый подход отличался повышенной экспозицией, которая соответствовала взаимодействию 5,25 × 1017 ионов кальция-48 с мишенью в течение 46,1 часа. Кроме того, работа сепаратора была настроена так, чтобы иметь максимальную чувствительность в области натрия-39. В результате ученые надежно увидели девять событий, соответствующих такому изотопу, против одного в прошлый раз.
В качестве дополнительного результата авторы убедились, что 34Ne — это нейтронная граница для Z = 10. Для этого они настроили сепаратор на поиск изотопов с большим числом нейтронов (в первую очередь, неона-36) и провели еще одну серию измерений, длившуюся чуть более суток. Отрицательный результат этого опыта укрепил достоверность границы стабильности в неоне.
Физики подчеркивают, что новый эксперимент не утверждает, что натриевая граница стабильности пролегает в изотопе натрий-39, хотя часть моделей ожидает именно этого. Согласно им при Z = 11 теряется магичность 28 нейтронов, которые в ином случае формируют замкнутую оболочку, а само ядро деформируется и приобретает квадрупольный момент. Тем не менее, доказать, что граница стабильности проходит именно по изотопу 39Na могут лишь эксперименты по поиску изотопа 41Na.