Внутри протонного гало: точные измерения помогают решить ядерные головоломки

В мае 2022 года в Исследовательском центре редких изотопов (FRIB) при Мичиганском государственном университете (MSU) началась программа точных измерений на изотопе алюминия-22 для исследования его протонного гало. Проект объединяет передовые исследования и участие студентов в ядерной физике.

Сотрудники лаборатории низкоэнергетических пучков и ионных ловушек (LEBIT) в FRIB снижают энергию высокоэнергетических пучков редких изотопов, генерируемых в FRIB, для проведения точных измерений масс частиц. Команда LEBIT под руководством Райана Рингла, адъюнкт-профессора физики в FRIB и департаменте физики и астрономии MSU, и Георга Боллена, заслуженного профессора физики и директора отдела экспериментальных систем FRIB, недавно опубликовала статью о массе алюминия-22. Ученые предполагают, что этот экзотический изотоп имеет редкое, но интересное свойство - его ядро окружено "гало" из протонов, которые свободно вращаются вокруг него. Эта структура гало проявляет уникальные физические свойства во время своего краткого существования.

"Эта программа требует значительной подготовки пучка для проведения экспериментов, и это первое измерение в научной программе FRIB," отметил Рингл. "Этот эксперимент не мог быть выполнен за разумное время в предыдущем лаборатории, Национальной лаборатории сверхпроводящего циклотронного ускорителя. Это подчеркивает потенциал нашего учреждения на будущее. Учитывая, что эксперимент был проведен с одной восьмидесятой мощности FRIB, это можно считать разминкой перед основными исследованиями."

Команда опубликовала свои результаты в журнале Physical Review Letters под названием "Precision Mass Measurement of the Proton Dripline Halo Candidate 22Al".

Захват ускользающих протонных гало

В то время как у большинства атомов электроны плотно вращаются вокруг ядра, протоны и нейтроны составляют само ядро. Однако при определенных условиях атомы могут образовывать гало из частиц, вращающихся за пределами ядра. Гало из нейтронов встречаются чаще, поскольку положительный заряд ядра обычно отталкивает протоны. Измерения на близких изотопах предположили, что алюминий-22 может образовать протонное гало, но для подтверждения этого необходимы дополнительные эксперименты.

Для этого команда создает высокоэнергетический пучок изотопов алюминия-22 с помощью процесса "фрагментации снаряда" в FRIB. Ученые ускоряют пучок стабильного изотопа аргона до половины скорости света и сталкивают его с целью. Эти столкновения создают редкие, кратковременные изотопы, которые исследователи отбирают и замедляют до однородного пучка для точных измерений массы частиц.

Несмотря на то, что команда смогла точно измерить массу алюминия-22, это только часть подтверждения структуры его протонного гало. Коллеги из лаборатории охлаждения пучков и лазерной спектроскопии (BECOLA) в FRIB планируют следующий этап - измерение радиуса заряда и возможной деформации ядра. Эти измерения могут однозначно подтвердить существование протонного гало вокруг алюминия-22.

Рингл отметил, что сотрудничество теоретиков и экспериментаторов в FRIB играет ключевую роль в исследованиях, таких как определение существования протонного гало у редких изотопов, таких как алюминий-22.

FRIB предоставляет возможности для студентов

Рингл подчеркнул важную роль студентов в продвижении этого исследования. Один из аспирантов LEBIT, Скотт Кэмпбелл, взял на себя этот проект в рамках своей диссертации.

"Он действительно взял на себя руководство этим экспериментом от начала до конца," сказал Рингл. "Студенты, работающие с нами, получают огромную пользу от нашего опыта. Нигде больше нет таких лабораторий прямо на университетском кампусе, что позволяет студентам сочетать учебу и научную работу."

Кэмпбелл изучал физику и информатику в Университете Гонзага. Возможность поступить в MSU для учебы и работы в FRIB стала для него главным фактором. "Я был очень рад возможности заниматься ядерной физикой в MSU, особенно когда FRIB начал работу во время моих исследований," сказал он. "У нас есть доступ к отличным лабораториям и сообществу, и мы участвуем в передовых исследованиях в области ядерной науки."

Кэмпбелл также отметил, что FRIB предоставляет не только мирового уровня оборудование, но и возможности для нетворкинга и наставничества. "Мы окружены коллегами, заинтересованными в наших исследованиях и стремящимися помочь в продвижении науки," добавил он.

Таким образом, исследования в FRIB открывают новые горизонты в ядерной физике, подтверждая существование протонных гало и предоставляя уникальные возможности для студентов.