Физики измерили толщину нейтронной кожи ядра никеля
Физики нашли толщину нейтронного слоя на поверхности ядра никеля, сравнив зарядовые радиусы ядер 54Ni и 54Fe. Это значение связано с величиной энергии обменного взаимодействия в ядерной материи, поэтому и важно для понимания физики тяжелых атомных ядер и нейтронных звезд. Результаты эксперимента достаточно хорошо совпали с данными, полученными в предыдущих лабораторных экспериментах, и данными наблюдений за слиянием пары нейтронных звезд. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Нуклоны в ядрах атомов распределены неравномерно. Особенно сильно этот эффект проявляется для ядер, в которых число нейтронов существенно превышает число протонов. В этом случае на поверхности ядра образуется избыток нейтронов, который называется «нейтронной кожей». Толщина этого слоя составляет несколько десятых фемтометра. Радиус самого ядра — в несколько десятков раз больше. Например, для хорошо исследованного с помощью рассеяния поляризованных электронов ядра свинца 208Pb эти величины равны приблизительно 0,3 и 6,7 фемтометров, соответственно, а радиус нейтрона — 0,8 фемтометра.
Толщина нейтронной кожи связана с фундаментальным для ядерной физики параметром — величиной обменного вклада в энергию связи нуклонов в ядре. Существование этого вклада связано с тем, что нуклоны — это фермионы, поэтому два нуклона одного типа не могут занять одно и то же квантовое состояние. Поэтому если количество протонов и нейтронов в ядре разное и они занимают разное число энергетических уровней, то добавление в ядро нейтрона не эквивалентно добавлению протона. От величины обменного взаимодействия между нуклонами зависит форма и размер тяжелых ядер, в которых нейтронов существенно больше, чем протонов. Кроме того, оно влияет на вид уравнения состояния вещества нейтронной звезды.
Экспериментально измерить толщину нейтронной кожи, которая равна разности среднеквадратичных радиусов нейтронного и протонного распределений, очень сложно. Зарядовый радиус ядра, определяемый протонами, достаточно просто измерить в экспериментах по рассеянию заряженных частиц на ядрах. Незаряженные нейтроны не влияют на результаты таких экспериментов, а потому физики используют другие методы для нахождения нейтронного распределения. Кроме поляризационных экспериментов, это и эксперименты с антипротонными атомами, и измерение сечения фоторождения пионов при взаимодействии электронов с ядрами, и астрономические наблюдения за слиянием нейтронных звезд.
Теперь группа физиков из Германии и США под руководством Алекса Брауна (Alex Brown) из Мичиганского государственного университета определила толщину нейтронной кожи ядра никеля 54Ni, измерив его зарядовый радиус и сравнив его с зарядовым радиусом зеркального ядра железа 54Fe. Зеркальными называются ядра, имеющие одинаковое общее число нуклонов, но разное число протонов. В данном случае, в ядре никеля 28 протонов и 26 нейтронов, а в ядре железа — наоборот. Эксперимент ученые проводили с помощью лазерной спектроскопии в Циклотронной лаборатории Университета штата Мичиган — в нем ядра никеля облучались лазерными лучами с длиной волны 352 нанометра.
Размеры зеркальных ядер почти одинаковы из-за одинакового количества нуклонов, так что толщина нейтронной кожи более богатого нейтронами ядра равна разности зарядовых радиусов двух зеркальных ядер. Измеренный в данном исследовании зарядовый радиус 54Ni оказался равен приблизительно 3,737 фемтометра, тогда как известный из более ранних измерений зарядовый радиус 54Fe составляет около 3,688 фемтометра, так что толщина нейтронной кожи 54Ni равна 0,049 фемтометра.
Чтобы установить связь между толщиной нейтронной кожи и величиной обменного взаимодействия физики вынуждены использовать не очень точные феноменологические модели строения ядра. Из-за этого получающаяся величина обменного взаимодействия варьируется от 20 до 70 мегаэлектронвольт на один нейтрон. Этот результат, впрочем, существенно точнее ее оценки, сделанной исследователями по результатам измерений зарядовых радиусов зеркальных ядер кальция 36Ca и серы 36S, которая дала разброс от 5 до 70 мегаэлектронвольт.
Результат исследования хорошо совпал с величиной обменного взаимодействия, которая получается из наблюдений за слиянием двух нейтронных звезд (11–65 мегаэлектронвольт), но оказался достаточно далек от его величины, измеренной в поляризационном эксперименте (106±37 мегаэлектронвольт). Однако из-за достаточно широкого разброса в вычисленной величине обменного взаимодействия это различие составляет всего около одного стандартного отклонения.
Исследователи надеются, что будущие лабораторные эксперименты и астрономические наблюдения позволят определить величину обменного взаимодействия более точно, уменьшив таким образом произвол в параметрах феноменологических моделей строения ядра и, соотвественно, улучшив наше понимание физики тяжелых ядер и физики нейтронных звезд.
Ранее мы писали про измерение толщины нейтронной кожи в ядре свинца в эксперименте по облучению тонкого слоя этого материала пучком поляризованных электронов.
Андрей Фельдман
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.