Кремний-22 показал свою «магическую» природу. Открытие, которое меняет правила ядерной физики.

Учёные впервые точно измерили массу крайне короткоживущего и богатого протонами ядра кремния-22 и подтвердили его «магическую» природу. Работа показала, что число протонов 14 относится к особым значениям, при которых ядра оказываются необычно устойчивыми. Результаты открывают новые перспективы для понимания ядерных сил и процессов образования элементов во Вселенной.

Обычно в лёгких элементах число протонов и нейтронов примерно совпадает. С ростом заряда требуются дополнительные нейтроны, чтобы компенсировать взаимное отталкивание протонов. Изотопы с чрезмерным избытком или дефицитом нейтронов становятся нестабильными.

Ещё в 1949 году Мария Гёпперт-Майер и Ханс Йенсен предложили «оболочечную модель», согласно которой определённые «магические» числа нуклонов делают ядра более связанными. Для нейтронов это 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126. Такие ядра имеют заполненные оболочки и демонстрируют повышенную устойчивость.

Но для экзотических, короткоживущих ядер с необычными соотношениями протонов и нейтронов картина оставалась неясной. В последние годы удалось показать, что в нейтронно-богатых изотопах особое значение имеют числа 14, 16, 32 и 34. Вопрос оставался — что с протонами?

По словам Юань-Мина Сина из Института современной физики Китайской академии наук, поиски «магических» чисел для протонных ядер не менее захватывающи: «Мы гораздо хуже понимаем, как в таких системах развивается структура оболочек. Здесь протоны слабо связаны и могут даже образовывать открытые квантовые системы».

Особый интерес вызвала идея «зеркальных ядер», когда число протонов и нейтронов меняется местами. Так, кислород-22 (8 протонов, 14 нейтронов) демонстрировал магическое число 14 для нейтронов. Зеркальным кандидатом стало ядро кремния-22 (14 протонов, 8 нейтронов). Но оно распадается слишком быстро и крайне трудно в производстве.

Для его изучения исследователи применили улучшенную методику изохронной масс-спектроскопии. На ускорителе тяжёлых ионов в Ланьчжоу команда разогнала ионы аргона-36 до двух третей скорости света и столкнула их с бериллиевой мишенью. В результате образовались ядра кремния-22, которые удалось ввести в накопительное кольцо и измерить их массу. Подсчёты подтвердили: число протонов 14 действительно является магическим.

«Эти данные позволяют тестировать фундаментальные теории ядерной физики, лучше понять взаимодействия нуклонов и пределы существования экзотических ядер», — пояснил Джакомо де Анджелис из Национальных лабораторий Леньяро (Италия) и IMP. По его словам, открытие поможет уточнить скорости ядерных реакций при образовании элементов в звёздах и тем самым улучшить модели космических процессов.

Параллельно в США в FRIB при Мичиганском университете недавно измерили энергию первого возбужденного состояния кремния-22. В Китае готовится к запуску новый ускорительный комплекс HIAF, который позволит глубже исследовать подобные системы.

Авторы подчёркивают, что их работа станет отправной точкой для дальнейших международных исследований. Подробные результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters .