Физики открыли алюминий-20 — новый изотоп, испускающий три протона

Иллюстрация трёхпротонного излучения алюминия-20. Автор: Сюй Сяодун

Радиоактивный распад — фундаментальный процесс в природе, при котором нестабильное атомное ядро теряет энергию через излучение. Изучение режимов ядерного распада крайне важно для понимания свойств атомных ядер. В частности, экзотические режимы распада, такие как протонное излучение, дают ключевые инструменты для исследования структуры ядер, далёких от «долины стабильности» — области, содержащей стабильные ядра в таблице нуклидов.

В исследовании, опубликованном 10 июля в журнале Physical Review Letters, физики из Института современной физики (IMP) Китайской академии наук (CAS) и их коллеги сообщили о первом наблюдении и спектроскопии алюминия-20 — ранее неизвестного нестабильного изотопа, который распадается через редкий процесс трёхпротонного излучения.

«Алюминий-20 — самый лёгкий из известных изотопов алюминия. Находясь за пределами протонной капельной линии, он содержит на семь нейтронов меньше, чем стабильный изотоп алюминия», — пояснил доцент Сюй Сяодун из IMP, ведущий автор исследования.

Используя метод in-flight decay на Фрагментном сепараторе Центра изучения тяжёлых ионов GSI в Дармштадте (Германия), исследователи измерили угловые корреляции продуктов распада алюминия-20 и обнаружили этот ранее неизвестный нуклид.

Анализ угловых корреляций показал, что основное состояние алюминия-20 сначала распадается с испусканием одного протона в промежуточное основное состояние магния-19, после чего магний-19 распадается через одновременное двухпротонное излучение. Алюминий-20 стал первым наблюдаемым трёхпротонным эмиттером, где продукт его однопротонного распада сам является двухпротонно-радиоактивным ядром.

Учёные также обнаружили, что энергия распада основного состояния алюминия-20 значительно ниже предсказаний, основанных на изоспиновой симметрии, что указывает на возможное нарушение этой симметрии между алюминием-20 и его зеркальным партнёром — неоном-20.

«Это исследование углубляет наше понимание явлений протонного излучения и даёт новые данные о структуре и распаде ядер за пределами протонной капельной линии», — отметил Сюй.

На сегодня известно более 3300 нуклидов, но лишь около 300 из них стабильны и существуют в природе. Остальные — нестабильные изотопы, подверженные радиоактивному распаду. Основные режимы распада (α-распад, β^–-распад, β⁺-распад, электронный захват, γ-излучение и деление) были открыты к середине XX века.

В последние десятилетия благодаря развитию экспериментальных установок и детекторных технологий учёные обнаружили несколько экзотических режимов распада у ядер, далёких от стабильности, особенно у нейтронодефицитных изотопов. В 1970-х открыли однопротонную радиоактивность, в XXI веке — двухпротонную, а в последние годы наблюдали ещё более редкие явления: трёх-, четырёх- и пятипротонное излучение.

В работе участвовали специалисты из IMP, GSI, Университета Фудань и более десятка других институтов.

Дополнительная информация: X.-D. Xu et al, Isospin Symmetry Breaking Disclosed in the Decay of Three-Proton Emitter Al20, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/hkmy-yfdk

Источник: Chinese Academy of Sciences