Совершив прорыв, который переопределяет пределы материи, группа исследователей из Германии синтезировала резерфордий-252 (Rf-252), сверхтяжелый изотоп, период полураспада которого составляет всего 60 наносекунд. Это ядро, настолько эфемерное, что его едва ли можно измерить напрямую, представляет собой значительное достижение в изучении самых крайних элементов таблицы Менделеева.
Открытие, опубликованное в журнале Physical Review Letters, демонстрирует, как сочетание высокоточных экспериментов и теоретических предсказаний может пролить свет на самые загадочные явления в ядерной физике. Это открытие не только расширяет наше представление об «острове стабильности», ключевом понятии в изучении сверхтяжелых элементов, но и поднимает новые вопросы о пределах существования ядерной материи.
Остров стабильности: карта еще не завершена
С 1960-х годов физики предположили существование «острова стабильности», в котором некоторые сверхтяжелые элементы, благодаря особым комбинациям протонов и нейтронов, известным как «магические числа», могут иметь относительно длительный период полураспада. В этом контексте Rf-252 отмечает самый крайний предел этой карты.
Сверхтяжелые ядра постоянно борются с отталкиванием между своими протонами, что делает их склонными к расщеплению в процессе, известном как деление. Однако в определенных случаях оболочечные эффекты могут временно стабилизировать эти ядра, позволяя им существовать достаточно долго, чтобы их можно было наблюдать. По мнению исследователей, «Rf-252 с периодом полураспада 60 наносекунд отмечает берег этого острова в ядрах резерфордия», устанавливая ключевую точку отсчета для будущих исследований.
Производство этого сверхтяжелого изотопа является впечатляющим техническим достижением, сочетающим глубокие знания ядерных моделей с передовыми экспериментальными методами. Полученные данные также подтверждают теории, которые предсказывают, что предел стабильности достигается, когда ядра становятся чрезвычайно богатыми протонами или бедными нейтронами.
Как был получен резерфордий-252
Для синтеза Rf-252 исследователи использовали усовершенствованный линейный ускоритель UNILAC в GSI/FAIR, расположенном в Дармштадте, Германия. Интенсивный луч титана-50 был направлен на мишень из свинца-204, генерируя ядра резерфордия в результате реакции термоядерного испарения.
Продукты этой реакции были разделены с помощью системы TASCA (TransActinide Separator and Chemistry Apparatus), которая позволяет изолировать сверхтяжелые ядра от других побочных продуктов. После полета длительностью примерно 0,6 микросекунды ядра Rf-252 были имплантированы в кремниевый детектор. Этот детектор фиксировал как первоначальную имплантацию, так и признаки ее быстрого распада.
Всего в возбужденном состоянии было обнаружено 27 атомов Rf-252, изомера с периодом полураспада 13 микросекунд. Это более стабильное состояние позволило исследователям сделать вывод о свойствах основного состояния, период полураспада которого составляет 60 наносекунд, что представляет собой нижний предел, известный на сегодняшний день для сверхтяжелых элементов.
Важность изомеров в обнаружении
Успех в наблюдении Rf-252 во многом обусловлен его изомерным состоянием. В сверхтяжелых ядрах изомеры представляют собой возбужденные состояния, стабилизированные квантовыми эффектами, период полураспада которых значительно превышает период полураспада основного состояния. По словам доктора Хуягбаатара Джадамбаа, ведущего автора исследования, «эти изомеры действуют как облака стабильности в море нестабильности», позволяя нам изучать ядра, которые в противном случае были бы недоступны.
В этом случае изомер Rf-252 предоставил достаточное «временное окно» для регистрации важных событий, таких как эмиссия электронов во время его распада в основное состояние. Три из этих событий были зарегистрированы, и во всех случаях последующее деление наблюдалось в течение 250 наносекунд. Это позволило исследователям точно определить период полураспада основного состояния.
Новые рубежи ядерной физики
Открытие Rf-252 представляет собой нечто большее, чем просто рекорд периодической таблицы: это прогресс в нашем понимании экстремальных ядерных процессов. «Этот результат снижает нижний предел известных периодов полураспада самых тяжелых ядер почти на два порядка», объясняет профессор Кристоф Э. Дюльманн, соавтор исследования.
С другой стороны, это открытие открывает новые направления исследований. Одна из следующих целей — изучить более тяжелые элементы, такие как сиборгий (Sg), и выяснить, как изомеры могут облегчить синтез ядер с чрезвычайно коротким периодом полураспада. Эти исследования не только имеют теоретическое значение, но также могут повлиять на такие области, как астрофизика, где аналогичные процессы происходят в экстремальных звездных событиях.
Наконец, это открытие усиливает важность таких объектов, как GSI/FAIR и будущий центр FAIR (Установка для исследования антипротонов и ионов), которые позволят проводить еще более амбициозные эксперименты.
