Найдено самое короткоживущее сверхтяжелое ядро ​​из когда-либо зарегистрированных

Исследователи открыли резерфордий-252, самое короткоживущее сверхтяжелое ядро, уточнив карту «островов стабильности» и продвинув исследования ядерной стабильности.

Совместная группа исследователей из GSI/FAIR, Университета имени Иоганна Гутенберга в Майнце и Института Гельмгольца продвинула понимание «острова стабильности» в сверхтяжелых нуклидах. Они достигли этого путем точного измерения сверхтяжелого ядра резерфордия-252, которое теперь идентифицировано как самое короткоживущее сверхтяжелое ядро ​​из когда-либо зарегистрированных.

Сильное ядерное взаимодействие связывает протоны и нейтроны в атомных ядрах. Однако положительный заряд протонов порождает отталкивающую силу, которая может дестабилизировать ядра с избыточным числом протонов. Эта внутренняя нестабильность создает значительные проблемы при синтезе новых сверхтяжелых элементов.

Определенные комбинации протонов и нейтронов, так называемые «магические числа», придают ядрам дополнительную устойчивость. Принимая во внимание эти магические комбинации, теоретические работы, датируемые 1960-ми годами, предсказывают остров устойчивости в море нестабильных сверхтяжелых ядер, где могут быть достигнуты очень большие времена жизни, даже приближающиеся к возрасту Земли.

Концепция этого острова с тех пор была подтверждена наблюдением за увеличением периода полураспада в самых тяжелых известных в настоящее время ядрах по мере приближения к предсказанному следующему магическому числу 184 нейтронов. Однако местоположение пика этого острова, его высота (отражающая максимальный ожидаемый период полураспада), а также протяженность острова до сих пор неизвестны.

Исследователи из GSI/FAIR в Дармштадте, Университета имени Иоганна Гутенберга в Майнце (JGU) и Института Гельмгольца в Майнце (HIM) приблизились на шаг к картографированию этого острова, обнаружив самое короткоживущее сверхтяжелое ядро, известное на сегодняшний день, которое отмечает положение береговой линии острова в ядрах резерфордия (Rf, элемент 104).

Минимальное время жизни сверхтяжелых ядер составляет порядка миллионной доли секунды, что делает крайне короткоживущие сверхтяжелые ядра вблизи моря нестабильности практически недоступными для экспериментального обнаружения. Но есть одна хитрость: иногда возбужденные состояния, стабилизированные квантовыми эффектами, демонстрируют более длительное время жизни и открывают путь к короткоживущим ядрам.

«Такие долгоживущие возбужденные состояния, так называемые изомеры, широко распространены в сверхтяжелых ядрах деформированной формы согласно моим расчетам», — говорят ученые. «Таким образом, они обогащают картину острова стабильности «облаками стабильности», парящими над морем нестабильности».

Обнаружение резерфордия-252

Исследовательская группа успешно проверила эти предсказания, ища доселе неизвестное ядро ​​Rf-252. Ученые использовали интенсивный пучок титана-50, доступный на ускорителе UNILAC GSI/FAIR, для слияния ядер титана с ядрами свинца, подаваемыми на мишени из фольги. Продукты слияния были разделены в TransActinide Separator and Chemistry Apparatus TASCA. Они были имплантированы в кремниевый детектор после времени пролета около 0,6 микросекунд. Этот детектор зарегистрировал их имплантацию, а также их последующий распад.

Всего было обнаружено 27 атомов Rf-252, распадающихся путем деления с периодом полураспада 13 микросекунд. Благодаря быстрой цифровой системе сбора данных, разработанной отделом экспериментальной электроники GSI/FAIR, были обнаружены электроны, испускаемые после имплантации изомера Rf-252m и высвобождаемые при его распаде в основное состояние.

Было зарегистрировано три таких случая. Во всех случаях последующее деление происходило в течение 250 наносекунд. Из этих данных был выведен период полураспада 60 нс для основного состояния Rf-252, который является самым короткоживущим сверхтяжелым ядром, известным в настоящее время.

«Результат снижает нижний предел известных времен жизни самых тяжелых ядер почти на два порядка, до времен, которые слишком коротки для прямого измерения в отсутствие подходящих изомерных состояний. Полученные результаты устанавливают новый стандарт для дальнейшего изучения явлений, связанных с такими изомерными состояниями, инвертированной стабильностью деления, когда возбужденные состояния более стабильны, чем основное состояние, и изотопной границей в самых тяжелых ядрах», — говорит профессор Кристоф Дюльманн, руководитель исследовательского отдела химии сверхтяжелых элементов в GSI/FAIR.

В будущих экспериментальных кампаниях предполагается измерение изомерных состояний с инвертированной стабильностью деления в следующем более тяжелом элементе сиборгии (Sg, элемент 106) и его использование для синтеза изотопов Sg с временем жизни менее микросекунды с целью дальнейшего картирования изотопной границы. Результат также открывает новые перспективы для международного объекта FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), который в настоящее время строится в Дармштадте.

Выводы исследователей были опубликованы в Physical Review Letters.