Измерение экзотического бета-распада в таллии помогает установить, когда родилось Солнце

Художественное изображение звезды AGB, смешивающейся с ранней солнечной системой. Автор: Danielle Adams for TRIUMF

Вы когда-нибудь задумывались, сколько времени потребовалось нашему Солнцу, чтобы сформироваться в его звездных яслях? Международное сотрудничество ученых теперь ближе к ответу. Им удалось измерить связанный бета-распад полностью ионизированных ионов таллия (²⁰⁵Tl⁸¹⁺) на экспериментальном накопительном кольце (ESR) GSI/FAIR.

Это измерение оказывает глубокое влияние на производство радиоактивного свинца (²⁰⁵Pb) в звездах асимптотической ветви гигантов (AGB) и может быть использовано для определения времени формирования Солнца. Результаты были опубликованы в журнале Nature.

Текущие расчеты показывают, что формирование нашего Солнца из молекулярного облака-прародителя заняло около нескольких десятков миллионов лет. Ученые выводят это число из долгоживущих радионуклидов, произведенных непосредственно перед образованием Солнца в результате так называемого астрофизического s-процесса.

S-процесс действовал в солнечной окрестности в звездах асимптотической ветви гигантов (AGB) — звездах промежуточной массы в конце их циклов горения. Радионуклиды, все давно распавшиеся с момента рождения Солнца 4,6 миллиарда лет назад, оставили свои отпечатки в виде небольших избыточных количеств продуктов распада в метеоритах, где их теперь можно обнаружить.

Идеальным кандидатом является радионуклид, который производится исключительно в ходе s-процесса и не имеет загрязнений от других процессов нуклеосинтеза. Ядро "s-only" ²⁰⁵Pb является единственным кандидатом, который удовлетворяет этим свойствам.

На Земле это атомарный ²⁰⁵Pb, который распадается на ²⁰⁵Tl, превращая один из своих протонов и атомный электрон в нейтрон и электронное нейтрино. Разница в энергии между ²⁰⁵Pb и его дочерью ²⁰⁵Tl настолько мала, что большая энергия связи электронов в ²⁰⁵Pb (с зарядом Z=82 по сравнению с всего лишь 81 электрон в ²⁰⁵Tl) склоняет чашу весов.

Другими словами, если удалить все электроны, роль дочери и матери в распаде инвертируется, и ²⁰⁵Tl претерпевает бета-минус-распад до ²⁰⁵Pb. Это то, что происходит в звездах AGB, где температуры в несколько сотен миллионов Кельвинов достаточно для полной ионизации атомов. Количество ²⁰⁵Pb, образующегося в звездах AGB, в решающей степени зависит от скорости, с которой ²⁰⁵Tl распадается до ²⁰⁵Pb. Но этот распад невозможно измерить в обычных лабораторных условиях, поскольку ²⁰⁵Tl стабилен.

Распад ²⁰⁵Tl энергетически возможен только в том случае, если произведенный электрон захватывается на одну из связанных атомных орбит в ²⁰⁵Pb. Это исключительно редкий режим распада, известный как бета-распад связанного состояния. Более того, ядерный распад приводит к возбужденному состоянию в ²⁰⁵Pb, которое находится всего на ничтожные 2,3 килоэлектронвольта выше основного состояния, но имеет сильное преимущество перед распадом в основное состояние.

Это неизвестное теперь было раскрыто в гениальном эксперименте, проведенном международной группой ученых из 37 институтов, представляющих двенадцать стран. Связанный бета-распад можно измерить только в том случае, если распадающееся ядро лишено всех электронов и находится в этих необычных условиях в течение нескольких часов. Во всем мире это возможно только на тяжелоионном экспериментальном накопительном кольце (ESR) GSI/FAIR, совмещенном с сепаратором фрагментов (FRS).

«Измерение ²⁰⁵Tl⁸¹⁺ было предложено в 1980-х годах, но потребовались десятилетия разработки ускорителей и упорный труд многих коллег, чтобы воплотить это в жизнь», — говорит профессор Юрий Литвинов из GSI/FAIR, представитель эксперимента. «Для достижения требуемых условий успешного эксперимента пришлось разработать множество новаторских методов, таких как получение чистого ²⁰⁵Tl в ядерной реакции, его разделение в FRS и накопление, охлаждение, хранение и мониторинг в ESR».

«Зная силу перехода, мы теперь можем точно рассчитать скорости, с которыми колеблющаяся пара ²⁰⁵Tl–²⁰⁵Pb действует в условиях, обнаруженных в звездах AGB», — говорит доктор Риккардо Манчино, который выполнил расчеты в качестве постдокторанта в Техническом университете Дармштадта и GSI/FAIR.

Выход ²⁰⁵Pb в звездах AGB был выведен исследователями из обсерватории Конколи в Будапеште (Венгрия), обсерватории INAF в Абруццо (Италия) и Университета Халла (Великобритания), которые внедрили новые скорости распада звезд ²⁰⁵Tl/²⁰⁵Pb в свои современные астрофизические модели AGB.

«Наш результат демонстрирует, как новаторские экспериментальные установки, сотрудничество многих исследовательских групп и огромный труд могут помочь нам понять процессы в ядрах звезд. Благодаря нашему новому экспериментальному результату мы можем узнать, сколько времени потребовалось нашему Солнцу, чтобы сформироваться 4,6 миллиарда лет назад», — говорит Гай Лекенби, докторант TRIUMF и первый автор публикации.

Измеренный период полураспада связанного бета-состояния имеет важное значение для анализа накопления ²⁰⁵Pb в межзвездной среде. Однако важны и другие ядерные реакции, включая скорость захвата нейтронов на ²⁰⁵Pb, для которой запланирован эксперимент с использованием метода суррогатной реакции в ESR. Эти результаты наглядно иллюстрируют уникальные возможности, предоставляемые накопительными кольцами тяжелых ионов в GSI/FAIR, что позволяет ученым перенести вселенную в лабораторию.

Работа посвящается покойным коллегам Фрицу Бошу, Роберто Галлино, Гансу Гейсселю, Паулю Кинле, Фрицу Нольдену и Джеральду Дж. Вассербургу, которые поддерживали это исследование на протяжении многих лет.

Больше информации: Guy Leckenby et al, High-temperature ²⁰⁵Tl decay clarifies ²⁰⁵Pb dating in early Solar System, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-08130-4

Источник: Helmholtz Association of German Research Centres