Детектор нейтронов раскрывает путь к пониманию космического происхождения золота
В недрах катастрофических звездных коллапсов и грандиозных космических столкновений рождаются самые тяжелые и драгоценные элементы нашей Вселенной. Золото, платина и другие тяжеловесы периодической таблицы являются продуктами экстремальной ядерной алхимии, происходящей в процессе, известном как быстрый захват нейтронов, или r-процесс. В этих условиях атомные ядра с большой скоростью поглощают нейтроны, становясь все тяжелее и нестабильнее, пока не достигают точки, когда вынуждены распадаться на более легкие и стабильные формы. Этот путь ядерной трансформации пролегает через неизведанные территории карты нуклидов, где царят экзотические режимы распада, а материнские ядра испускают не только электроны, но и целые нейтронные пары.
Именно в эту загадочную область ядерного ландшафта отправилась международная команда исследователей, включая аспирантов Техасского университета Питера Дишеля и Якоба Гужа, профессора Роберта Грживача, доцента Мигеля Мадургу и научного сотрудника Монику Пьерса-Силковску. Опираясь на методы анализа данных, разработанные научным сотрудником Чжэнъюй Сюем, ученые предприняли экспериментальное путешествие к истокам космического нуклеосинтеза. Их отправной точкой стал индий-134 — экзотический изотоп, производство которого стало возможным благодаря передовым технологиям станции распада ISOLDE в ЦЕРНе, где современные лазерные методы разделения обеспечили беспрецедентную чистоту образцов.
В ходе экспериментов с использованием специализированного нейтронного детектора, созданного в Техасском университете, ученые сделали три открытия, проливающих свет на загадки r-процесса. Наиболее значительным прорывом стало первое в истории измерение энергии нейтронов при бета-задержанном испускании двух нейтронов.
Как пояснил Роберт Грживач, именно выброс двух нейтронов представляет наибольший интерес, поскольку этот процесс характерен исключительно для экзотических, короткоживущих ядер. Измерение оказалось чрезвычайно сложной задачей — нейтроны склонны «скакать», и различить, испущен один нейтрон или два, ранее не представлялось возможным. Никто до этого не измерял энергию в таких условиях, что открывает совершенно новую область экспериментальных исследований.
Второе открытие перевернуло традиционные представления о ядерной памяти. Ученые впервые наблюдали долгожданное одночастичное нейтронное состояние в олове-133, которое искали более двадцати лет. Роберт Грживач образно описал традиционную точку зрения, согласно которой олово, испаряя нейтроны для охлаждения, превращается в «ядро с амнезией», полностью забывающее о своем происхождении из индия-134.
Однако эксперимент доказал — олово не забывает. Тень материнского индия не исчезает бесследно, и ядерная память не стирается полностью. Это вновь обнаруженное состояние представляет собой промежуточный этап в процессе испускания двух нейтронов и является последним элементарным возбуждением в ядре олова-133, завершающим общую картину и повышающим точность расчетов.
Третье открытие связано с наблюдением нестатистической популяции этого нового состояния. Процесс распада оказался относительно чистым и дискретным, без характерного для большинства ядерных процессов «горохового супа» из соседствующих состояний. Этот парадокс — почему механизм в большинстве случаев ведет себя статистически, хотя не должен, и почему в данном случае это не так — указывает на необходимость пересмотра теоретических моделей при движении в область экзотических ядер, все дальше от стабильности.
Работа аспиранта Питера Дишеля, ставшего первым автором публикации в Physical Review Letters, демонстрирует, как погоня за фундаментальным любопытством открывает новые горизонты в ядерной физике. От создания физических компонентов детекторов до интерпретации сложнейших данных — его многогранная работа в рамках этого масштабного проекта подчеркивает коллективный характер современной науки. Как отметил сам Питер Дишель, успех этой работы стал возможен благодаря коллегам и соавторам, чьи рекомендации и конструктивный вклад оказались решающими. Эти открытия не только углубляют наше понимание ядерных процессов, но и прокладывают путь к более точным моделям того, как звездные катастрофы создают драгоценные элементы Вселенной.