42 протона на 42 нейтрона — идеальная симметрия, которая разрушила теорию ядерной физики

На протяжении десятилетий физики-ядерщики были уверены, что так называемые «острова инверсии» возникают только у редких, сильно нейтронных изотопов — тех, что почти не встречаются в природе. В подобных областях обычные закономерности нарушаются: исчезают «магические» числа, сферическая форма распадается, а ядро неожиданно переходит в состояние выраженной деформации. Такое поведение давно наблюдали у бериллия-12, магния-32, хрома-64 — всех тех изотопов, в которых количество нейтронов значительно превышает число протонов. Отсюда и убеждение, что столь необычные конфигурации возможны лишь в изолированных экзотических условиях.

Недавнее международное исследование опровергло эту идею. Учёные из IBS, университетов Падуи, Страсбурга, Мичигана и ряда других центров обнаружили «остров инверсии» там, где его никто не ждал: среди симметричных изотопов, где число протонов совпадает с числом нейтронов. Это первое подобное наблюдение, заставившее пересмотреть прежние представления о том, в каких условиях могут возникать такие структурные сбои.

Объектом исследования стали два изотопа молибдена — Mo-84 и Mo-86. Первый содержит одинаковое количество протонов и нейтронов (Z = N = 42), второй отличается всего двумя нейтронами. Оба расположены на линии N = Z — области, изучение которой осложнено трудностями при получении нужных пучков. Команда работала на установке редких изотопов в Мичиганском университете, используя высокочувствительные гамма-детекторы, способные фиксировать переходы с пикосекундной точностью.

Для эксперимента ускоренные ядра Mo-92 направили на бериллиевую мишень. В результате столкновений возникали различные фрагменты, среди которых выделяли Mo-86 с помощью электромагнитного сепаратора A1900. Затем полученный пучок направляли на вторую мишень. Там часть ядер переходила в возбуждённые состояния, а некоторые превращались в Mo-84 после выбивания двух нейтронов. При возвращении к основному уровню ядра излучали гамма-кванты, по которым можно судить о внутреннем устройстве.

Регистрировали излучение с помощью массива GRETINA — системы, способной отслеживать траекторию каждого гамма-кванта. А длительность переходов измеряли установкой TRIPLEX, рассчитанной на интервалы в триллионные доли секунды. Сопоставление данных с моделями GEANT4 позволило оценить времена жизни первых возбуждённых уровней и определить степень деформации ядер.

Результаты оказались поразительно разными для двух соседних изотопов. Mo-84 демонстрировал ярко выраженное коллективное движение: большое количество протонов и нейтронов одновременно переходили через энергетический разрыв. Такой процесс называют частично-дырочной перестройкой — когда часть нуклонов поднимается на более высокие уровни, оставляя пустоты на прежних орбиталях. Чем больше участвует частиц, тем сильнее изменяется форма ядра.

Теоретические расчёты показывают, что в Mo-84 происходит необычно крупная перестройка — эквивалентная схеме «8 частиц – 8 дырок». В ней участвуют и протоны, и нейтроны. Эту синхронность связывают с особенностями в области N = Z = 40, где энергетический разрыв между оболочками заметно уменьшается, и нуклонам легче переходить на новые уровни.

Есть и другой важный вывод. Модели, учитывающие только двухчастичное взаимодействие, не способны воспроизвести наблюдаемую структуру Mo-84. Сильная деформация появляется лишь тогда, когда в расчёты вводят трёхнуклонные силы — ситуации, при которых взаимодействуют сразу три частицы. По мнению авторов, это убедительное доказательство того, что такие эффекты играют заметную роль в строении тяжёлых ядер.

У Mo-86 картина гораздо спокойнее: обнаруженные перестройки соответствуют схеме «4 частицы – 4 дырки». Поэтому ядро остаётся ближе к обычному состоянию и не демонстрирует выраженной деформации. Это различие подчёркивает ключевой итог работы: Mo-84 фактически лежит внутри нового «острова инверсии», тогда как Mo-86 располагается за его границей.

Впервые подобный «остров» наблюдают в симметричных ядрах, где число протонов равно числу нейтронов. Открытие ставит перед ядерной физикой новые вопросы — прежде всего о том, насколько применимы прежние модели оболочек в областях, которые раньше считали «спокойными». Теперь исследователям предстоит пересмотреть, где ещё возможны подобные структурные перестройки и какую роль в них играют фундаментальные силы, удерживающие вещество.