Группа исследователей из Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) в Мичиганском государственном университете (MSU) обнаружила, что изотопы кобальта-70 образуют различные ядерные формы, когда их энергетические уровни отличаются лишь незначительно. Результаты, опубликованные в Nature Communications Physics, проливают свет на динамическую, сложную природу экзотических ядерных частиц.

В команду вошли Артемис Спироу, профессор физики в Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) и на кафедре физики и астрономии МГУ, Шон Лиддик, доцент химии в FRIB и на кафедре химии и экспериментальной ядерной науки МГУ, заведующий кафедрой FRIB, Алекс Браун, профессор физики в FRIB, и Кейд Дембски, бывший научный сотрудник FRIB. Дембски, в настоящее время работающий над своей докторской диссертацией в Университете Нотр-Дам, был ведущим автором статьи.

«Когда мы впервые начали этот проект, он был мотивирован астрофизической стороной исследований ядерной науки, а не фокусировался на ядерной структуре », — сказал Дембски. «Однако, продолжая анализ данных , мы не могли полностью понять все закономерности, которые наблюдали. Оказалось, что причина была в некоторых интересных эффектах ядерной структуры, которых мы не ожидали, и в итоге мы написали статью об этих эффектах».

Для проведения исследования команда использовала суммирующий детектор NaI (SuN) в Национальной сверхпроводящей циклотронной лаборатории, предшественнике FRIB. В ходе эксперимента они обнаружили как сферические, так и деформированные состояния кобальта-70. Результаты показали, что короткоживущий экзотический изотоп в конечном итоге существует как переход между изотопами хрома с похожим атомным номером и сферическими основными состояниями изотопов никеля, богатых нейтронами.

Понимание сосуществования форм помогает углубить исследования экзотических ядер

В ядерной физике исследователи долгое время сосредоточились на изучении ядер с « магическими числами » протонов или нейтронов. Ядра с магическими числами демонстрируют большую стабильность, чем их атомные соседи, то есть они медленнее распадаются. Эти ядра отличаются от своих соседей, и исследователи долгое время сосредоточивали исследования на их свойствах.

Изотопы с магическими числами протонов и нейтронов обычно имеют сферическую форму в основном состоянии. Однако незначительные энергетические флуктуации могут иногда приводить к тому, что одно и то же ядро ​​принимает совершенно другую форму. Это явление, известное как сосуществование форм, помогает исследователям изучать, как разные формы могут существовать в одном и том же ядре. Эти формы помогают ученым лучше понять сложное поведение атомов в экзотических системах.

«Мы хотим понять форму ядра как функцию его числа протонов и нейтронов», — сказал Лиддик. «Большинство людей думают о ядре как о сфере, но мы знаем, что форма ядер может довольно сильно различаться. И в некоторых случаях две разные формы сосуществуют при относительно близких энергиях. Для нас важно понять это взаимодействие, потому что в областях, где это происходит, мы видим множество изменений в структуре ядра при небольшом числе протонов и нейтронов».

В своем исследовании команда изучала цепочку ядерного распада железа-70 до кобальта-70, а затем до никеля-70. Команда использовала метод, называемый спектроскопией полного поглощения (TAS). Когда исследователи стреляют высокоэнергетическим пучком в неподвижную цель в ускорителе частиц, они производят различные изотопы. Затем исследователи выбирают подмножество для изучения, которое отправляется на экспериментальное оборудование, позволяющее ученым картировать гамма-лучи после их соответствующих распадов.

Ученые используют небольшие специализированные детекторы, которые улавливают энергию гамма-излучения, исходящую от распадающегося ядра. Однако в этом случае команде нужно было больше сосредоточиться на общей энергии, испускаемой во время эксперимента.

«Небольшие детекторы гораздо лучше определяют энергию гамма-лучей, но трудно точно сказать, откуда они исходят», — сказал Спайроу, руководитель проекта.

«При использовании TAS мы используем детектор большого объема. Цель состоит не в том, чтобы идентифицировать энергию каждого отдельного гамма-луча, а в том, чтобы суммировать всю энергию, исходящую от распада. Если я зафиксирую все гамма-лучи таким образом, я смогу точно сказать, откуда они начали. В этом преимущество нашей техники, потому что, если мы хотим обратить внимание на частицы, которые демонстрируют сосуществование форм, нам нужно действительно составить карту всего пути их распада».

Команда использовала SuN для техники TAS. То, что они обнаружили, удивило их: в своем анализе данных команда обнаружила частицы кобальта-70, демонстрирующие как сферические, так и деформированные состояния. Эти ядра продемонстрировали сосуществование форм и сделали это с одной из самых маленьких разниц энергии, зарегистрированных при документировании этого явления. Это открытие не только дает сильный тест для ядерных моделей на дальних рубежах нашего понимания ядерной структуры, но и дает дополнительную мотивацию исследователям изучать другие близлежащие изотопы.

Дембски начал работать с группой SuN Спайроу, будучи студентом бакалавриата в МГУ. Хотя первоначальный эксперимент команды был сосредоточен на исследовании астрофизики, а не на теории структуры ядра, эти неожиданные результаты заинтриговали Дембски.

«Эта работа окольным путем привела нас к этому проекту по очень чистой ядерной структуре», — сказал он. «К тому времени, как мы наконец-то на ней сосредоточились, я был в нее очень вовлечен, поскольку меня интересует ядерная структура в более широком смысле, и я видел, что она сыграет значительную роль в моей карьере».