Измерения периода полураспада бета-распада раскрывают эволюцию ядерной оболочки

Международная группа исследователей систематически измерила периоды полураспада β-распада для 40 ядер вблизи кальция-54, предоставив ключевые экспериментальные данные для понимания структуры чрезвычайно богатых нейтронами ядер.

Диаграмма идентификации частиц в текущем эксперименте, полученная на спектрометре ZeroDegree. Вновь измеренные периоды полураспада соответствуют ядрам справа от черной линии. Автор: IMP

Исследование, опубликованное в Physical Review Letters, было проведено под руководством ученых из Института современной физики (IMP) Китайской академии наук в сотрудничестве с такими учреждениями, как RIKEN в Японии и Пекинский университет.

Атомные ядра демонстрируют исключительную стабильность, когда число протонов (Z) или нейтронов (N) достигает определенных «магических чисел», таких как 2, 8, 20, 28, 50, 82 или 126. Оболочечная модель успешно объяснила эти магические числа, введя спин-орбитальное взаимодействие — вклад, за который М. Майер и Й. Йенсен получили Нобелевскую премию по физике в 1963 году.

Однако недавние исследования показали, что традиционные магические числа могут исчезать, а новые — появляться в областях, далеких от линии стабильности. Например, в богатых нейтронами изотопах кальция N=32 и 34 были экспериментально подтверждены как обладающие эффектами подоболочки.

Исследование замкнутости подоболочек и экспериментальные трудности

Один из важных вопросов — как эти замкнутые подоболочки при N=32 и 34 эволюционируют в более легких изотопных цепочках, таких как калий и хлор. «Из-за чрезвычайно низкого выхода ядер в этом регионе крайне сложно исследовать эволюцию ядерной оболочечной структуры с помощью традиционных методов, основанных на измерении массы или гамма-спектроскопии», — сказал Цзэн Цюаньбо, аспирант IMP и первый автор исследования.

Чтобы преодолеть эту трудность, исследователи предположили, что периоды полураспада β-распада могут служить чувствительным экспериментальным зондом для эволюции одночастичных орбиталей в этой области. Они провели свой эксперимент на заводе радиоактивных изотопных пучков (RIBF) в RIKEN в Японии.

Ключевые выводы и последствия

Исследователи точно измерили периоды полураспада β-распада 40 ядер вокруг кальция-54. Среди них периоды полураспада 10 ядер были измерены впервые, а точность для пяти других была значительно повышена.

Впервые были обнаружены две примечательные особенности. Во-первых, значительное падение периода полураспада калия-54 указывает на эффект подоболочки при N=34, что подтверждается расчетами по оболочечной модели. Во-вторых, период полураспада хлора-48 оказался заметно короче, чем у его соседних изотопов.

Исследователи предположили, что эта аномалия проистекает из значительных нейтронных возбуждений через подоболочку N=32 в хлоре-48. Дальнейший теоретический анализ показал, что это межоболочечное возбуждение в основном является результатом сильного смешивания конфигураций, а не значительного ослабления щели подоболочки N=32.

Перспективы с новыми ускорительными комплексами

Высокоинтенсивный ускорительный комплекс тяжелых ионов (HIAF) в Китае скоро вступит в строй. «Благодаря высокой интенсивности пучка и высокой энергии, HIAF сможет эффективно производить нестабильные ядра. Высокоточные измерения β-распада и другие спектроскопические измерения более богатых нейтронами ядер, проведенные на HIAF, как ожидается, еще больше продвинут наше понимание эволюции ядерных оболочек и будут способствовать развитию теорий оболочечной модели», — сказал профессор Лю Чжун из IMP.

Источник: Chinese Academy of Sciences