Физики открыли алюминий-20 — новый изотоп, испускающий три протона

Радиоактивный распад — это не просто процесс превращения одних атомных ядер в другие; это окно в мир квантовой хрупкости материи, где даже самые незначительные изменения в структуре ядра могут привести к удивительным и редким явлениям. Среди них особое место занимает экзотический распад, при котором ядра, находящиеся на границе существования, испускают не один, а сразу несколько протонов. Такие процессы не только бросают вызов теоретическим моделям, но и позволяют заглянуть в глубины ядерной структуры, где привычные симметрии могут нарушаться, а традиционные законы — работать иначе.

В июле 2025 года группа ученых из Института современной физики Китайской академии наук (IMP CAS) и их коллеги из Германии и Китая совершили прорывное открытие: они впервые зафиксировали и изучили алюминий-20 — самый легкий из известных изотопов алюминия, который распадается, испуская сразу три протона. Это не просто новый нуклид в таблице изотопов; это ключ к пониманию того, как ведут себя ядра за пределами протонной границы стабильности.

Исследование проводилось на сепараторе GSI в Дармштадте (Германия) — одной из ведущих мировых установок для изучения экзотических ядер. Ученые использовали метод распада в полете, который позволяет анализировать короткоживущие ядра, образующиеся при фрагментации тяжелых ионов. Алюминий-20, имеющий всего 13 протонов и 7 нейтронов (на 7 нейтронов меньше, чем стабильный алюминий-27), был идентифицирован по характерным угловым корреляциям продуктов его распада.

Анализ данных показал, что распад алюминия-20 происходит в два этапа: сначала ядро испускает один протон, превращаясь в магний-19, а затем магний-19 распадается с одновременным испусканием двух протонов.

Это делает алюминий-20 первым известным трехпротонным излучателем, чей распад включает промежуточное двухпротонно-радиоактивное ядро (магний-19).

Нарушение изоспиновой симметрии

Одним из самых интригующих результатов стало расхождение между экспериментальными данными и теоретическими предсказаниями, основанными на изоспиновой симметрии — принципе, согласно которому ядра-«зеркала» (например, алюминий-20 и неон-20) должны иметь схожие свойства. Оказалось, что энергия распада алюминия-20 значительно ниже ожидаемой, а спин и четность его основного состояния отличаются от предсказанных. Это указывает на возможное нарушение изоспиновой симметрии, что требует пересмотра существующих моделей ядерных взаимодействий.

Открытие трехпротонного распада алюминия-20 расширяет границы наших знаний о ядерной структуре:

• Оно подтверждает, что экзотические моды распада (испускание трех и более протонов) возможны в ядрах с крайним дефицитом нейтронов.
• Нарушение изоспиновой симметрии в алюминии-20 ставит новые вопросы о роли протон-нейтронных взаимодействий в экстремальных условиях.
• Современные теоретические расчеты, выполненные в рамках этого исследования, показывают, что традиционные подходы могут недооценивать сложность ядерной динамики у границ стабильности.

Работа китайских и немецких ученых не просто добавляет новый изотоп в ядерную карту; она меняет наше представление о том, как ведут себя ядра в экстремальных условиях. Алюминий-20 — это не только редкий пример трехпротонного распада, но и ключ к пониманию нарушений фундаментальных симметрий в ядерной физике. Дальнейшие исследования в этой области могут привести к пересмотру теорий, описывающих структуру ядер за пределами долины стабильности, и, возможно, к открытию еще более экзотических форм радиоактивного распада.