Физики подтвердили реальность единственного ядерного гексаконтатетрапольного перехода

Австралийские физики подтвердили существование единственного ядерного гексаконтатетрапольного (64-польного) E6-перехода в изомере железа-53, в существовании которого ядерщики долгое время не были уверены. Для этого ученые измеряли энергию гамма-квантов, рожденных через несколько минут после столкновения пучка ионов лития-6 с ванадиевыми мишенями. Благодаря комбинации вычислительных методов и методов обработки спектров авторы добились точности, достаточной, чтобы отделить E6-переходы от событий регистрации нескольких каскадных фотонов. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Классическая электродинамика предоставляет физикам формулы, которые позволяют вычислить распределение электромагнитного поля (в том числе и в динамике) для произвольного распределения зарядов и токов. Эти формулы полезны в численном моделировании, когда вычисления производит компьютер, позволяя в точности описать поля. При аналитических же расчетах они практически бесполезны. Вместо этого физики применяют к распределению зарядов процедуру, называемую мультипольным разложением.

В квантовой механике и квантовой электродинамике мультипольное разложение также применяется. Оно позволяет отсортировать все спектральные линии, поскольку, чем выше мультипольность, тем, как правило, слабее интенсивность излучения. Переходы высоких порядков вступают в игру тогда, когда дипольные (E1 и M1) и квадрупольные (E2 и M2) переходы запрещены своими правилами отбора. В случае с ядерными переходами они несут информацию о форме ядра, поэтому крайне интересны физикам.

Самыми высокопорядковыми переходами сегодня считаются редчайшие 64-польные (тетрагексаконтапольные или гексаконтатетрапольные — однозначная терминология еще не сложилась). В ядерной физике известен всего один пример такого перехода — E6-релаксация изомера ^53mFe (изомером называют возбужденное состояние какого-либо изотопа). Несмотря на давнюю историю исследований, ученые не до конца уверены, что это настоящий 64-польный переход, а не артефакт работы детектора.

Поставить точку в этом вопросе смогла команда физиков из Австралийского национального университета при участии Алекса Брауна (Alex Brown) из Мичиганского университета. Ученые не только подтвердили существование E6-перехода, но и обновили значения для коэффициента ветвления и скорости перехода для соседних переходов.

Согласно мультипольному разложению, распределение источников поля — дискретное или непрерывное — раскладывается на мультиполи — простейшие симметричные конфигурации точечных зарядов. Нулевой порядок соответствует суммарному заряду всей системы — электрическому монополю. Первый порядок — электрический диполь — характеризует смещение средних положительного и отрицательного зарядов относительно друг друга и так далее. Каждый следующий шаг соответствует удвоению числа зарядов в конфигурации, что находит отражение в приставках мультиполя: квадруполь, октуполь и так далее. Аналогичным образом раскладываются и токи, с той лишь разницей, что у магнитных мультиполей отсутствует монополь.

Когда состояние заряженной системы изменяется, физики используют разложение для вычисления амплитуды вероятности перехода и излучения с той или иной мультипольностью. Соответствующие спектральные линии часто кодируют буквой E или M (электрический или магнитный мультиполь) и цифрой, соответствующей порядку разложения. Важно, что порядок разложения определяет максимально разрешенное изменение полного момента J в переходе. В случае с ядром железа-53 возбужденное состояние 19/2^– может перейти в основное состояние 7/2^– (то есть с ΔJ = 6) только через 64-польный E6-переход с излучением гамма-кванта с энергией 3041 килоэлектронвольт. Конкурирующими с E6 процессами оказываются частичные релаксации через переходы M5 и E4, которые оканчиваются на уровнях 9/2^– и 11/2^–.

Чтобы разобраться в этих переходах, физики использовали ускоритель тяжелых ионов, расположенный в Австралийском национальном университете. Они направляли пучок разогнанных ионов лития-6 на мишени из природного ванадия. В результате ядерных превращений образовывалось множество изотопов железа, а также соседних с ним элементов. В силу их нестабильности, сигналы других изотопов легко было отделить от сигналов изомера железа-53, которые авторы собирали в течение 20 минут после облучения (около восьми периодов полураспада изомера) с помощью гамма-спектрометра.

Для обработки результатов измерения, а также для симуляций физики применили сразу несколько методов. Их комбинация позволила отделить сигналы, соответствующие фотонам с энергией 3041 килоэлектронвольт, от сигналов, соответствующих суммам вкладов от каскадной релаксации, — другими словами, доказать реальность E6-перехода. Повышенная точность также позволила авторам уточнить энергии переходов, интенсивности, времена жизни и коэффициенты ветвления соседних переходов: M5 и E4.

Традиционное мультипольное разложение не учитывает один специфический класс конфигураций, который называется анаполем или динамическим тороидным моментом. О том, как эта сущность могла бы проявить себя в спектрах простейшего атома — водорода — мы недавно рассказывали.