Ученые-ядерщики из Университета Теннесси совершили три значительных открытия, которые приближают разгадку одной из величайших тайн Вселенной: как в космосе образуются тяжелые элементы, такие как золото и платина. Их работа, подробно описанная в одном исследовании, помогает объяснить ядерные превращения, происходящие во время коллапса звезд, взрывов сверхновых и столкновений нейтронных звезд. Эти результаты могут привести к созданию более точных моделей синтеза тяжелых элементов и лучшему пониманию поведения экзотических атомных ядер, которые находятся далеко от так называемой «долины стабильности».
Тяжелые элементы создаются в экстремальных условиях в результате так называемого r-процесса, или процесса быстрого захвата нейтронов. Во время этого процесса атомное ядро стремительно поглощает нейтроны, становясь тяжелее и нестабильнее, пока в итоге не распадется на более легкие и стабильные формы. Ключевым этапом на этом пути является бета-распад «родительского» ядра с последующим испусканием двух нейтронов. Этот механизм особенно важен, так как он позволяет нестабильным, богатым нейтронами ядрам быстро «сбрасывать» избыток нейтронов, ускоряя переход к более стабильным конфигурациям и способствуя эффективному синтезу тяжелых элементов. Однако ядра, участвующие в этом, чрезвычайно редки и нестабильны, что делает их прямое экспериментальное изучение крайне сложной задачей.
Первым крупным достижением команды стало первое в истории измерение энергий нейтронов, связанных с бета-запаздывающим двухнейтронным излучением. Профессор Роберт Гживач подчеркнул, что именно это испускание двух нейтронов является самым важным явлением, характерным только для экзотических, короткоживущих ядер. Вторым открытием стало первое наблюдение давно предсказанного одночастичного нейтронного состояния в олове-133, которое ученые искали более 20 лет. Это опровергает традиционный взгляд на ядро как на «ядро-амнезиак», полностью теряющее память о своем происхождении при остывании.
Третьим важным результатом стало обнаружение нестатистического характера заполнения этого вновь идентифицированного состояния. Это означает, что его появление во время распада не следует ожидаемым вероятностным закономерностям. Гживач привел аналогию с супом: хотя процесс и не похож на приготовление однородного супа из колотого гороха, в большинстве случаев он ведет себя именно так. Открытие ставит под сомнение применимость существующих теоретических моделей к экзотическим ядрам, находящимся далеко от «долины стабильности» — области, где ядра наиболее устойчивы, — и указывает на необходимость разработки новых подходов. Эти экзотические ядра образуются в экстремальных условиях, например, при взрывах сверхновых, где интенсивный поток нейтронов приводит к созданию ядер с очень большим избытком нейтронов, что и делает их крайне нестабильными.
Для проведения экспериментов исследователи из UT сотрудничали с учеными из других институтов и работали на станции изучения распадов ISOLDE в ЦЕРНе. Команда использовала большие количества редкого изотопа индия-134, синтез которого требует передовых технологий. Специальный нейтронный детектор, сконструированный в Университете Теннесси, и методы лазерного разделения позволили обеспечить чистоту образцов и наблюдать цепочку распадов. Ведущую роль в этой масштабной работе сыграл аспирант Питер Дайзель, который был первым автором научной статьи.
Питер Дайзель отвечал за широкий спектр задач: от сборки детекторов и аппаратуры до разработки программного обеспечения и анализа данных. Он отметил, что успех работы стал возможен благодаря коллегиальности и конструктивному вкладу всей команды. Интерес Дайзеля к ядерной физике зародился на курсе общей химии, где он узнал о бета-распаде и создании новых элементов. Стремление понять фундаментальные законы мироздания привело его к степени по физике, а данное исследование стало ярким примером того, как любопытство и упорный труд молодых ученых способны продвигать границы нашего познания Вселенной.
Источник: Scientists crack a 20-year nuclear mystery behind the creation of gold