20-й алюминий: как один изотоп за секунды обрушил уверенность в ядерной симметрии

В природе всё стремится к равновесию — даже атомные ядра. Но некоторые настолько неустойчивы, что буквально распадаются на части, теряя протоны, нейтроны и энергию в виде радиации. Эти превращения лежат в основе ядерной физики. И хотя известно более 3300 изотопов, по-настоящему стабильными оказались менее 300. Остальные нестабильны и постепенно трансформируются — каждый по-своему.

Особенно интересны те, что расположены за пределами так называемой «долины стабильности» — области на ядерной карте, где находятся устойчивые ядра. Чем необычнее тип распада, тем больше он рассказывает о глубинной структуре материи и фундаментальных симметриях.

И теперь к этим исследованиям добавился новый яркий результат: впервые в истории учёные зафиксировали и проанализировали распад неизвестного ранее изотопа — алюминия-20 (²⁰Al). Работу провели специалисты Института современной физики (IMP) Китайской академии наук (CAS) в сотрудничестве с учёными из Германии и других стран.

²⁰Al — самый лёгкий из обнаруженных изотопов алюминия. Он расположен за так называемой «протонной каплей» — границей, за которой ядра больше не способны удерживать лишние положительно заряженные частицы. У него на семь нейтронов меньше, чем у стабильного варианта элемента, что делает структуру особенно восприимчивой к редким формам распада.

Процесс разворачивается по непривычному сценарию: сначала из ядра вылетает один протон, образуя магний-19 (¹⁹Mg), а затем тот одновременно испускает ещё два. Получается цепочка, сочетающая одиночный и двойной протонный распад — крайне редкое явление, никогда ранее не наблюдавшееся у одного и того же изотопа.

Зафиксировать такую последовательность позволил ускоритель GSI Helmholtz в Дармштадте. Учёные использовали метод «в полёте» (in-flight decay), при котором ядра образуются, движутся и распадаются прямо в процессе эксперимента, а продукты реакции регистрируются мгновенно.

Но важным оказалось не только само открытие. Учёные выяснили, что энергия распада гораздо ниже, чем предсказывают расчёты, основанные на изоспиновой симметрии — принципе, который объединяет протоны и нейтроны в единую теоретическую систему. А отклонение может свидетельствовать о нарушении этого базового симметричного свойства.

Выводы подкрепили теоретические модели: они показали, что характеристики спина и паритета основного состояния ²⁰Al не совпадают с соответствующими параметрами у его «зеркального» партнёра — неона-20 (²⁰Ne), в котором число протонов и нейтронов просто поменяно местами.

С развитием методов ядерной спектроскопии учёные уже обнаружили немало экзотических форм распада. В 1970-х — одно-протонную радиоактивность, в 2000-х — случаи, когда испускаются сразу два протона. За последние годы удалось зафиксировать ещё более необычные процессы — с тремя, четырьмя и даже пятью вылетающими частицами. Но случай с ²⁰Al выделяется тем, что здесь эти редкие явления объединены в единую последовательность.

Участвовали IMP, GSI, Фуданьский университет (Китай) и более десятка научных организаций. Это открытие приближает нас к пониманию того, как устроены ядра за пределами привычных границ стабильности, и помогает описывать сложнейшие сценарии радиоактивных превращений. По словам Сюй Сяодуна, полученные данные проливают свет на глубинные законы, управляющие миром элементарных частиц, и становятся важным вкладом в фундаментальную науку о материи .