Магия чисел и «остров инверсии». Физики впервые увидели, как фтор-25 «выплевывает» нейтрон

Поймать момент, когда атомное ядро успевает не просто распасться, а еще и “выплюнуть” нейтрон, удается редко. Но именно это впервые получилось у команды на американском комплексе Facility for Rare Isotope Beams (FRIB): исследователи напрямую увидели бета-задержанное испускание нейтрона у фтора-25, крайне редкого и нестабильного изотопа, который живет считанные мгновения.

Эксперимент провели на установке FRIB Decay Station Initiator (FDSi), предназначенной для изучения распадов экзотических ядер. Ключевым стало то, что результаты не совпали с данными, опубликованными ранее, в том числе с реакционными измерениями 2020 года. Команда проверила свои расчеты и процедуры многократно и утверждает, что расхождение не похоже на случайную ошибку. Итоги работы опубликованы в журнале Physics Letters B.

Фтор-25 распадается по бета-каналу, превращаясь в неон-25. И уже дочернее ядро, неон-25, в некоторых случаях теряет нейтрон. Такой сценарий называется бета-задержанным испусканием нейтрона: сначала происходит бета-распад, а затем, с небольшой задержкой, ядро оказывается в настолько возбужденном состоянии, что “сбрасывает” нейтрон. Для фтора-25 это наблюдение сделано впервые именно экспериментально, а не на уровне теоретических ожиданий.

Интерес к этой области не случайный. В ядерной физике есть понятие “магических чисел” протонов и нейтронов: при определенных количествах частицы как бы заполняют энергетические оболочки внутри ядра, и оно становится заметно устойчивее. Но чем дальше ученые уходят в область сверхнестабильных ядер, тем чаще выясняется, что привычные правила работают не всегда или работают иначе, чем ожидалось. В 1970-х, например, при изучении редких изотопов лития и натрия обнаружили так называемый “остров инверсии”, участок таблицы нуклидов, где отдельные ядра оказываются неожиданно “живучими” на фоне своих крайне короткоживущих соседей.

Ранее группа под руководством профессора Роберта Гживача из Университета Теннесси в Ноксвилле уже сталкивалась с похожей неожиданностью, когда изучала кислород-24. Этот изотоп находится близко к границе “острова инверсии” и считался кандидатом на особенно нестабильное поведение, однако в измерениях проявил себя так, будто является “дважды магическим”, то есть и протоны, и нейтроны у него заполняют оболочки особенно “правильно”. Теперь, работая на FRIB, исследователи заметили, что и фтор-25 может быть более устойчивым, чем предсказывали прежние представления.

Отдельная интрига связана с числом нейтронов. У фтора-25 их 16, и новые данные повышают вероятность того, что 16 может быть “крепким” магическим числом для нейтронов в этой пограничной зоне, рядом с кислородом-24. По сути, речь о том, как именно частицы удерживаются вместе в ядрах, которые существуют доли секунды, и где границы стабильности проходят не там, где их рисовала классическая схема.

Авторы подчеркивают, что работа стала возможной благодаря большой кооперации: помимо FRIB и Университета Теннесси в исследованиях участвовали команды и инфраструктура Argonne National Laboratory и Oak Ridge National Laboratory. Для участников это еще и практический эффект: среди соавторов есть студент, для которого эксперимент на установке такого уровня сразу закончился публикацией и выбором дальнейшей специализации.

Главный вывод пока осторожный: в “пограничных” ядрах рядом с “островом инверсии” явно есть дополнительные эффекты, которые мы недооцениваем. Следующий шаг, по словам исследователей, это связать новые экспериментальные наблюдения с более точными теоретическими моделями и понять, почему фтор-25 и родственные ему ядра ведут себя не так, как ожидала старая картина.