На грани стабильности: атом кобальта нарушает привычные представления о структуре ядра

Атомные ядра — это не просто статичные скопления протонов и нейтронов, а динамичные системы, способные принимать различные формы в зависимости от энергии и состава. Одним из самых интригующих явлений в ядерной физике является сосуществование форм — когда одно и то же ядро может существовать в двух различных конфигурациях при почти одинаковых энергиях. Это явление бросает вызов классическим представлениям о структуре ядер и открывает новые горизонты в понимании экзотических изотопов.

Недавнее исследование, проведенное учеными из Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) при Мичиганском государственном университете (MSU), пролило свет на этот феномен, обнаружив, что изотоп кобальта-70 демонстрирует как сферические, так и деформированные состояния при минимальном различии в энергии. Результаты, опубликованные в Nature Communications Physics, не только углубляют понимание ядерной структуры, но и имеют значение для астрофизики, поскольку экзотические ядра играют ключевую роль в процессах нуклеосинтеза в звездах.

Эксперимент и ключевые открытия

Исследовательская группа, включая ведущего автора Кейда Дембски, изначально ставила перед собой астрофизические цели, изучая ядерные реакции, которые могут происходить в звездах. Однако в ходе анализа данных, полученных с помощью детектора SuN в Национальной сверхпроводящей циклотронной лаборатории (NSCL), ученые столкнулись с неожиданными закономерностями. Вместо предсказуемых результатов они обнаружили, что кобальт-70 может существовать в двух различных формах:

• Сферической (близкой к изотопам никеля с магическим числом нейтронов)
• Деформированной (напоминающей изотопы хрома)

При этом разница в энергии между этими состояниями оказалась одной из самых малых, зарегистрированных в подобных исследованиях.

Методология: спектроскопия полного поглощения (TAS)

Для изучения распада железа-70 → кобальта-70 → никеля-70 команда использовала метод TAS (Total Absorption Spectroscopy), который позволяет измерять полную энергию гамма-излучения, а не фиксировать отдельные фотоны. Это дало возможность точно отслеживать цепочки распада и выявлять даже слабые сигналы, указывающие на переход между разными ядерными формами.

Как пояснил Артемис Спироу, руководитель проекта, преимущество TAS заключается в том, что он регистрирует весь каскад гамма-излучения, что критически важно для обнаружения редких и неожиданных эффектов, таких как сосуществование форм.

Значение для ядерной физики и астрофизики

1. Проверка теоретических моделей
   Открытие ставит перед теоретиками задачу уточнения существующих ядерных моделей, особенно в областях, далеких от стабильности.
2. Связь с «магическими числами»
   Ядра с магическим числом протонов или нейтронов обычно сферичны, но даже небольшие изменения могут приводить к деформации. Изучение этого перехода помогает понять, как формируются экзотические ядра в космосе.
3. Влияние на нуклеосинтез
   Понимание структуры нестабильных изотопов, таких как кобальт-70, важно для моделирования процессов в сверхновых и нейтронных звездах, где рождаются тяжелые элементы.

Это исследование не только расширяет границы ядерной физики, но и демонстрирует, как фундаментальные открытия могут возникать из неожиданных наблюдений. Ученые FRIB планируют продолжить изучение соседних изотопов, чтобы выяснить, насколько широко распространен феномен сосуществования форм и как он влияет на эволюцию атомных ядер.

Работа служит ярким примером того, как современные экспериментальные методы позволяют раскрывать сложные и динамичные свойства материи на субъатомном уровне.