Физики измерили скорость ядерной миграции нейтронов

Физики из университетов Техаса и Мичигана вычислили время, за которое происходит выравнивание нейтронной плотности в системе из двух столкнувшихся ядер цинка. Оно оказалось порядка трех десятых зептосекунды — это настолько малый промежуток времени, что свет за то же время успевает пролететь расстояние в сотни раз меньше радиуса атома. По словам ученых, эта величина играет важную роль в описании нуклеосинтеза в сверхновых. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.

При некоторых высокоэнергетических процессах может возникнуть ситуация, когда одна часть ядра оказывается насыщеннее нейтронами, чем другая. Подобные асимметричные объекты плохо изучены. Их поведение определяет  динамику и результаты таких экстремальных процессов, как синтез тяжелых ядер во вспышках сверхновых и образование новых частиц при ядерных столкновениях. Один из важных параметров для описания таких систем — время выравнивания плотности нейтронов в разных участках ядра. Ранее были получены лишь примерные оценки на эту величину — около одной зептосекунды. Авторы новой работы смогли измерить ее экспериментально.

Физики использовали циклотрон K500, ускорявший ядра цинка-70 до энергий порядка 2,4 гигаэлектронвольт  (в миллион раз меньше, чем энергия ядер свинца в БАК). Ядра на полной скорости врезались в неподвижную тонкую фольгу из цинка-70, в результате чего происходило кратковременное слияние пар ядер. Спустя короткий промежуток времени длинная цепочка из ядерной материи распадалась на два продолговатых сгустка.

Каждый из них обладает вытянутой гантелевидной формой, причем передняя часть сгустка бедна нейтронами, а задняя часть — наоборот — богата ими. На следующей стадии «гантеля» выравнивает плотность нейтронов и распадается еще на два сгустка. В массивном оказывается порядка 12-19 протонов, в легком — от 3 до 11 протонов.

Важно, что после первого разрыва сгустки начинают вращаться. Первоначально их ось симметрии направлена вдоль линии, по которой летело родившее их ядро. Но затем «гантеля» начинает отклоняться от этого положения. Пока «гантеля» вращается, происходит перераспределение плотности нейтронов. Как только оно завершается частица разрывается на два сгустка. По тому, на какой угол при этом успела повернуться гантеля (и, соответственно, под каким углом разлетелись частицы) физики и определяли время для установления равновесия. Оказалось, оно составляет примерно 0,3 зептосекунды. Physics сравнивает оборудование, использованное для исследования, с камерой, которая снимает примерно 10²² кадров в секунду.

В ядрах атомов распределение протонов и нейтронов не всегда равномерно. К примеру, в 2016 году международный коллектив физиков доказал, что в ядре кремния-34 (богатом нейтронами) существует протонный пузырек — область пространства, в которой плотность протонов очень низка.

Масштаб зептосекунд — масштаб ядерных событий. Для сравнения, даже самые быстрые процессы в атоме происходят на временных промежутках в тысячу раз больших. К примеру, физики из Германии, Австрии и Испании недавно выяснили, какова задержка между возбуждением атома гелия фотоном и испусканием им электрона — она оказалась равна 7000-20000 зептосекунд.

Владимир Королёв