Всего через 10 дней после начала пробных пусков нового китайского ускорительного комплекса HIAF (High Intensity heavy-ion Accelerator Facility) международная группа физиков зафиксировала первое событие, ради которого отчасти и строился этот ускоритель: в спектрометрическом кольце SRing были пойманы 10 ядер изотопа гафний-153 (153Hf).
Этот нуклид с 72 протонами и 81 нейтроном десятилетиями числился в списке «предсказанных, но не открытых», а единственная предыдущая заявка на его наблюдение в 2000 году так и не была подтверждена рецензированной публикацией. Теперь пробел закрыт, причём одновременно двумя независимыми группами: параллельно с HIAF гафний-153 зарегистрировали на японской установке RIBF в институте RIKEN, такое подтверждение снимает любые сомнения.
Экспериментальная схема использовала пучок ионов висмут-209, разогнанный в кольце ускорителя BRing до энергии 836,66 МэВ/нуклон при интенсивности около 1010 частиц за импульс. Пучок ударял в графитовую мишень, и среди множества осколков рождались ядра гафния-153 – с сечением реакции, оценённым задним числом примерно в пикобарн (10-36 см2). Это экстремально малая вероятность: на каждую тысячу миллиардов столкновений приходится в лучшем случае 1 успешное событие. Выделить такие единичные ядра из потока шума позволила связка из двух инструментов: сепаратора HIRIBL (High-rigidity Radioactive Ion Beam Line) и накопительного кольца SRing, работающего в изохронном режиме. В этом режиме время оборота иона вокруг кольца зависит только от его массы, а не от скорости, что позволяет разделять изотопы с точностью до одной десятитысячной долей процента — соседние по массе ядра расходятся в спектре на десятки стандартных отклонений и не накладываются друг на друга.
Главная техническая инновация, сделавшая открытие возможным – принцип нулевого фона. В отличие от классических однопроходных сепараторов, где идентификация редкого события требует сложных тестов на статистическую значимость и всё равно оставляет риск ложного срабатывания, SRing регистрирует каждый ион десятки раз за оборот. Чтобы быть засчитанным как реальное ядро, событие должно оставить периодическую последовательность сигналов длительностью не менее 100 микросекунд – больше 80 полных витков по 277-метровому кольцу. Никакой шум, наводка или случайное наложение сигналов не могут сымитировать такую картину.
В результате одиночный пик на отметке 1159,348 наносекунды, совпавший с расчётным положением для полностью потерявшего все электроны иона гафния-153, был идентифицирован однозначно – без статистических оговорок и вероятностных оценок.
Почему этот изотоп так важен для физики, объясняется его положением на ядерной карте. Гафний-153 находится на нейтронодефицитной стороне – в нём на один нейтрон меньше, чем требуется для заполнения «магического числа 82», своеобразной «особо прочной оболочки» атомного ядра. Ровно такой же дефицит в одно нейтронное отверстие делает его идеальным зондом для измерения того, насколько устойчива эта оболочка в области тяжёлых элементов с большим избытком протонов. Теоретические модели – от макроскопических FRDM и WS до микроскопических HFB и релятивистских DRHBc – сходятся в том, что ядро должно быть либо стабильным относительно испускания протона, либо очень слабым излучателем, и сам факт того, что 10 ядер долетели до детектора, подтверждает этот прогноз.
Масса гафния-153, которую измерят в ближайшее время на том же SRing, станет первой экспериментальной точкой для прямого вычисления величины щели N=82 на протоноизбыточном краю – параметра, исключительно важного для понимания того, как держатся вместе тяжёлые ядра.
Авторы подчёркивают, что установка работала на считанные проценты от проектной мощности. Интенсивность первичного пучка составляла около 10% от предельной, частота импульсов– 0,3 Гц вместо доступных 3 Гц, а светосила сепаратора перекрывала апертуру кольца более чем на порядок. Когда HIAF выйдет на полную производительность, чувствительность к редким изотопам вырастет в сотни раз, а значит, карта нуклидов начнёт пополняться десятками новых квадратов в самой труднодоступной области – на подходе к протонной границе существования ядер. Это не расширение таблицы Менделеева для экзотических атомов, а последовательное зондирование предела, за которым ядерные силы уже не могут удержать протоны и нейтроны вместе.