Двойно магичное ядро свинца-208 удивляет неожиданными свойствами формы

В удивительном повороте событий международная группа ученых обнаружила, что свинец-208 (208Pb), самое тяжелое известное "двойно магичное" ядро, демонстрирует неожиданные характеристики формы, которые современные ядерные модели не могут точно предсказать. Термин "двойно магичное" относится к ядрам, в которых полностью заполнены оболочки как протонов (82), так и нейтронов (126), что теоретически должно предрасполагать к идеально сферической форме. Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, сосредоточено на деформации и коллективном поведении свинца-208, особенно на спектроскопических квадрупольных моментах двух возбужденных состояний.

Спектроскопический квадрупольный момент измеряет, насколько ядро отклоняется от идеальной сферы, количественно оценивая распределение заряда внутри ядра. Журнал Phys.org поговорил с первым автором исследования, доктором Джеком Хендерсоном из Университета Сарри. "Мы направили пучки германия, теллура, неодима и эрбия на свинцовую фольгу," объясняет доктор Хендерсон. "Когда эти частицы рассеиваются от фольги, они могут передавать энергию ядрам свинца, потенциально возбуждая их. Вероятность возбуждения зависит от формы ядер, поэтому, тщательно измеряя это, мы смогли сделать вывод о деформации свинца-208."

Магические числа и форма ядер

Похожие на стабильные электронные конфигурации благородных газов, магичные и двойно магичные ядра приводят к стабильным ядрам. Эти "магические числа" — 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126. Для магичных ядер число нейтронов или протонов равно магическому числу, тогда как для двойно магичных ядер оба числа — магические. Это означает, что ядерные оболочки заполнены, что приводит к более стабильному ядру, причем в случае двойно магичных ядер эта стабильность удваивается. Протоны и нейтроны спарены и симметрично расположены, что приводит к более сферическому ядру.

Свинец-208, с 82 протонами и 126 нейтронами, находится на пересечении двух магических чисел, что делает его двойно магичным и теоретически предрасположенным к сохранению сферической формы. Доктор Хендерсон объяснил важность магических чисел, сказав: "Магические числа чрезвычайно важны для понимания ядерной физики, а также связанных с этим свойств, потому что они дают ядрам в своей окрестности больше энергии связи." "Это искажает ядерный ландшафт, и, например, является причиной пиков в abundances при синтезе тяжелых элементов в так называемом процессе быстрого захвата нейтронов (r-процесс)."

Кулоновское возбуждение

Хотя исследование двойно магичных ядер не ново, ученые использовали новейшее экспериментальное оборудование для более точных измерений, особенно касающихся знака и величины деформации. Исследователи использовали метод кулоновского возбуждения, при котором атомные ядра возбуждаются через электромагнитные взаимодействия без участия ядерной силы. "Кулоновское возбуждение чрезвычайно чувствительно для определения деформации, потому что оно зависит только от электромагнитной силы, которую мы понимаем с конца 1800-х годов," объяснил Хендерсон. Экспериментальная установка состояла из четырех различных пучков (германия, теллура, неодима и эрбия), направленных на фольгу из свинца-208.

Исследователи использовали массив детекторов GRETINA для измерения гамма-лучей, излучаемых, когда возбужденные ядра возвращаются в основное состояние, одновременно отслеживая рассеянные частицы с помощью детектора CHICO2. Особое внимание было уделено двум возбужденным состояниям для изучения деформации: первому квадрупольному возбуждению и первому октупольному возбуждению. Данные были проанализированы с использованием полуоклассического кода Coulomb-excitation GOSIA.

Проблемные модели, влияние и будущие работы

Исследователи убедительно продемонстрировали, что оба возбужденных состояния, которые они изучали, показывают большие отрицательные спектроскопические квадрупольные моменты, что указывает на предпочтение ядра удлиненной (продолговатой), а не сплюснутой формы. При сравнении с прогнозами трех различных теоретических подходов — модели ядерной оболочки, теории функционала плотности и расчетов Хартри-Фока — ни один из них не смог воспроизвести знак и величину наблюдаемой деформации.

Доктор Хендерсон прокомментировал это несоответствие, сказав: "Модели, похоже, не могут воспроизвести наши наблюдения, и причина этого не совсем ясна. Одна из возможностей заключается в том, что ядерные взаимодействия, используемые в расчетах, требуют уточнений, или что какая-то степень свободы, которую мы не признали важной, отсутствует." Как уже упоминалось, свинец-208 играет важную роль в понимании того, как образуются тяжелые элементы в космических событиях, таких как слияния нейтронных звезд, то есть в r-процессе. Поэтому влияние выходит за пределы ядерных исследований и охватывает эволюцию звезд.

Исследователи планируют продолжить работу над этими проблемами, и доктор Хендерсон, намекая на будущие работы, сказал: "Одна из возможностей заключается в том, что соседние ядра, такие как более легкие и тяжелые изотопы свинца, могут помочь лучше понять недостающий элемент в теоретической интерпретации." "Другой возможный путь вперед — это улучшение понимания того, как ядерная форма вибрирует, путем поиска ключевых состояний, которые до сих пор ускользали от окончательной идентификации."

• Популярные чат-боты ИИ имеют тревожную уязвимость в шифровании — это означает, что хакеры могли легко перехватывать сообщения
• Грибы как компьютерные чипы: учёные создают «живую память» из шиитаке
• Учёные создали трёхслойное микрофлюидное устройство для сверхэффективного охлаждения электроники
• Обычный кристалл оказался идеальным материалом для технологий на сверхнизких температурах
• Учёные научились превращать снимки атомно-силового микроскопа в точные 3D-модели движений белков
• Учёные создали уникальный гидрогель для «неклонируемых» меток безопасности
• Роботы нового поколения: в Caltech создали систему, которая может ходить, ездить и летать
• Учёные создали 3D-печатные материалы, которые полностью гасят вибрации