Ядро свинца оказалось «толстокожим»
Участники коллаборации PREX представили последние результаты измерения распределения нейтронной плотности в ядре свинца. В ходе эксперимента по анализу рассеяния электронов на ядре физики измерили толщину поверхностного нейтронного слоя (нейтронной «кожи») — явления избытка нейтронов на поверхности некоторых ядер. Полученная толщина, как и значение энергии симметрии ядерной материи, оказались существенно больше результатов других экспериментов. Также ученые показали, как именно нейтроны распределены внутри ядра свинца. Представленные результаты позволяют лучше понять, каким фундаментальным законам подчиняется ядерная материя и, в частности, нейтронные звезды. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters, препринт доступен на сайте arxiv.org.
Обычно ядра атомов представляют в виде шариков из сбившихся в кучу нейтронов и протонов, которые равномерно распределены по всему объему. Но такое представление не совсем корректно, когда речь идет о богатых нейтронами ядрах, в которых число нейтронов существенно превышает число протонов. Особенно такая ситуация характерна для тяжелых ядер: избыток нейтронов в них приводит к тому, что нейтроны и протоны оказываются по-разному связаны с ядром. В результате в некоторых ядрах на поверхности ядра появляется избыток нейтронов: их можно рассматривать как тонкую «кожу», удерживающую ядерную материю в ядре. У ядра свинца-208 такой поверхностный нейтронный слой особенно заметен из-за того, что в нем нейтронов аж на 44 больше чем протонов, а само ядро является дважды магическим. Согласно различным теоретическим предсказаниям для этого ядра, толщина его нейтронной кожи (которая определяется как разность среднеквадратичных радиусов нейтронов и протонов) может лежать между 0.1 и 0.3 фемтометра при полном радиусе ядра порядка 6.7 фемтометра.
Экспериментально же измерить толщину поверхностного нейтронного слоя достаточно сложно. Распределение протонов в ядре определить легко: протоны заряжены, а значит другие заряженные частицы с не слишком большой энергией при пролете мимо будут подчиняться законам кулоновского взаимодействия. Это значит, что по картине их рассеяния можно определить, как именно протоны расположены в ядре. Нейтроны, в свою очередь, нейтральные частицы, а значит напрямую увидеть их в экспериментах по рассеянию заряженных частиц на ядре не получится. В результате нейтронные распределения ядер измеряют с помощью самых разнообразных техник: от работы с антипротонными атомами до экспериментов по измерению сечения рождения пионов при взаимодействии электронов с ядрами. Но такое разнообразие приводит и к большому разбросу результатов, которые часто противоречат друг другу.
При этом точные измерения распределения нейтронной плотности в ядрах крайне важны для физиков. В первую очередь нейтронная кожа влияет на фундаментальные свойства самих ядер: от ее величины зависит хотя бы их форма. Но немаловажным оказывается и другой фактор: ядерная материя подчиняется своему уравнению состояния, и именно из измерений толщины поверхностного нейтронного слоя можно получить один из его параметров — энергию симметрии. От величины этого параметра будет зависеть, как именно будут себя вести ядерные системы с большой разницей между нейтронными и протонными плотностями. К таким системам относятся в том числе нейтронные звезды: в первом приближении они не отличаются от обычных ядер, но с огромным количеством нейтронов и протонов, а значит подчиняться они будут тому же уравнению состояния. Поэтому изучение ядра свинца (в котором, как уже было сказано, эффект поверхностного нейтронного слоя особенно заметен) может помочь физикам больше узнать и об устройстве нейтронных звезд.
Теперь же участники коллаборации PREX вновь измерили толщину поверхностного нейтронного слоя свинца в эксперименте на основе рассеяния поляризованных электронов на нейтронах в составе ядра. Такая техника основана на том, что хоть нейтрон в составе ядра и не взаимодействует с летящим на него электроном через электромагнитные силы, они взаимодействуют друг с другом посредством слабого взаимодействия. В процессе такого взаимодействия нейтрон и электрон обмениваются Z-бозоном — переносчиком слабых сил. Если же электрон поляризован, то есть его спин сонаправлен (правая поляризация) или противонаправлен (левая поляризация) его импульсу, то электроны с двумя разными поляризациями взаимодействуют с нейтронами с различной вероятностью. Это значит, что по величине асимметрии сечения взаимодействия электронов разной поляризации с ядром можно судить о плотности нейтронов в самом ядре. Кроме того, электрон практически не взаимодействует с протонами через слабые силы, а значит последние не будут вносить свой вклад в такую асимметрию.
В ходе эксперимента ученые облучали тонкий слой свинца между двумя алмазными подложками поляризованным пучком электронов с энергией 953 мегаэлектронвольт и наблюдали за их рассеянием. Значение асимметрии сечения рассеяния правых и левых электронов оказалось равным 550 ± 24 миллиардных частей, из которой физики получили значение толщины поверхностного нейтронного слоя в 0.28 ± 0.09 фемтометра и среднеквадратичного радиуса нейтронов в 5.8 ± 0.1 фемтометра. Результаты совпали с предыдущими измерениями коллаборации, погрешность которых, однако, была в разы выше. При этом полученные результаты для толщины нейтронной кожи оказались существенно выше значений в эксперименте на основе фоторождения пионов, результатом которого было значение в 0.15 ± 0.03 фемтометра.
Пользуясь связью ширины поверхностного нейтронного слоя и энергии симметрии в уравнении состояния ядерной материи, ученые получили значение последней: она оказалась равна 106 ± 37 мегаэлектронвольт. Это значение также оказалось неожиданно высоко: существующие модели используют существенно меньшие величины. В сопутствующей статье, вышедшей одновременно с результатами эксперимента, физики обсуждают ограничения, которые такие результаты вносят в наше понимание ядерной материи и в особенности нейтронных звезд. В частности, исследователям удалось наложить более строгие ограничения на допустимый радиус и деформируемость нейтронных звезд.
Помимо поверхностного нейтронного слоя в устройстве ядер еще много неисследованных эффектов, и физики продолжают их изучать. Например, в ядрах кремния и серы ученым удалось «нащупать» пузырек, а в тяжелых изотопах исследователи видят скоррелированные нейтрон-протонные пары.
Никита Козырев
Он распался на кислород <sup>24</sup>O и четыре нейтрона
Японские физики синтезировали самый тяжелый на сегодняшний день изотоп кислорода 28O с магическим числом и нейтронов, и протонов. Он оказался нестабильным, несмотря на предсказанные для него магические свойства, и моментально распадался на четыре нейтрона и кислород 24O. По мнению авторов статьи в Nature, эти результаты указывают на сложную структуру нейтронной оболочки 28O с близкими по энергии возбужденными состояниями. Стабильность изотопов физики описывают разными теоретическими моделями. В частности, некоторые из них предсказывают высокую стабильность изотопов с определенным — магическим — числом протонов и нейтронов. Для протонов магическими являются числа Z = 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, а для нейтронов — числа N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. В атомах с такими числами нейтронные и протонные оболочки ядра полностью заполнены, а основное и возбужденные состояния сильно отличаются по энергии — это приводит к повышенной стабильности ядра. Особенно устойчивыми являются дважды магические ядра, в которых одновременно заполнены и протонная, и нейтронная оболочки — например, самый распространенный изотоп кислорода 16O. Для кислорода также известны более тяжелые изотопы с большим количеством нейтронов. Все они, начиная с 19O и заканчивая 26O, неустойчивы. При этом, согласно теоретическим представлениям, дважды магическое ядро 28O может быть устойчивым, хотя оно и содержит очень большое количество нейтронов. Тем не менее получить этот изотоп до сих пор не получалось. Впервые синтезировать кислород 28O удалось физикам под руководством Ёсуке Кондо (Yosuke Kondo) из Института физико-химических исследований RINKA в Японии. Для этого ученые облучали вращающуюся мишень из бериллия 9Be пучком ядер кальция 48Ca. При этом получались разные легкие ядра, из которых с помощью спектрометра физики отсеяли ядра фтора 29F и направили их на мишень из жидкого водорода. При этом из фтора образовались изотопы кислорода 27O и 28O. Далее, с помощью спектрометров физики смогли детектировать продукты их быстрого распада — нейтроны и кислород 24O. Рассчитанная учеными энергия распада составила 0,5 мегаэлектронвольта для 28O и 1,09 мегаэлектронвольта для 27O. Исходя из того, что энергия распада 27O и 25O больше, чем у 28O, физики сделали вывод, что изотоп 28O разложился ступенчато — сначала образовался изотоп 26O и два нейтрона, а затем 26O превратился в 24O и еще два нейтрона. Далее, физики провели расчеты нуклонной структуры 28O на основе теории χEFT (chiral effective field theory) и метода связанных кластеров (coupled-cluster method). Расчеты показали, что нестабильность ядра 28O связана с нестандартным расположением его нейтронных оболочек, которое приводит к заселению возбужденных состояний ядра с низкой энергией (intruder states). В результате физики впервые получили изотоп кислорода 28O и провели теоретические расчеты, объясняющие его нестабильность нестандартной структурой нейтронных оболочек. Тем не менее, прямые доказательства немагичности нейтронной структуры 28O еще предстоит найти. Ранее мы рассказывали о том, как физики получили самый тяжелый изотоп кальция.