Физики раскрыли магнитную природу загадочных гамма-лучей

Ученые из Установки для редких изотопов (FRIB) совместно с исследователями Ливерморской национальной лаборатории (LLNL), возможно, разгадали давнюю загадку ядерной физики: почему некоторые атомные ядра испускают больше низкоэнергетических гамма-лучей, чем предсказывает теория. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Гамма-лучи — это форма электромагнитного излучения, которая выделяется, когда возбужденное атомное ядро теряет энергию и переходит в более стабильное состояние при радиоактивном распаде. Эффект, известный как «низкоэнергетическое усиление», десятилетиями ставил ученых в тупик, поскольку он проявляется не во всех ядрах, и его появление было трудно предсказать.

В ходе эксперимента исследователи измерили гамма-лучи, испускаемые при распаде радиоактивного изотопа меди в цинк. Благодаря уникальным возможностям FRIB команде удалось разделить два различных состояния распада: электрический переход, при котором протоны в ядре смещаются, и магнитный переход, при котором нейтроны и протоны «переворачивают» свои внутренние магниты.

«Низкоэнергетическое усиление не было предсказано теорией, поэтому его первое наблюдение стало шоком для научного сообщества. Трудно предсказать, в каких ядрах оно проявится», — отметила Элеанор Роннинг, ведущий автор исследования.

Ключевой результат: только магнитный переход вызывал низкоэнергетическое усиление гамма-лучей, что доказывает его магнитную природу. Это открытие обеспечивает согласованное объяснение, связывающее экспериментальные наблюдения с теорией.

Хотя исследование было сосредоточено на одном ядре, полученные данные могут улучшить ядерные модели для широкого круга элементов и реакций. Это имеет значение для астрофизики (моделирование реакций в звездах, сверхновых и слияниях нейтронных звезд), ядерной энергетики, национальной безопасности и ядерной криминалистики.

«Мы можем улучшить знания о характеристиках наших запасов и интерпретацию результатов прошлых испытаний, используя улучшенную теорию. Кроме того, мы можем усовершенствовать ядерную криминалистику — нашу способность определять, произошло ли ядерное событие, и выявлять его наиболее вероятный источник», — заявил соавтор исследования, ученый LLNL Даррен Блюэль.

Работа финансировалась и проводилась при поддержке Министерства энергетики США и Национального научного фонда.