Измерение массы ядра открывает новое магическое число протона

В ядерной физике «магические числа» определяют определённое количество протонов или нейтронов, приводящее к образованию особенно стабильных ядер. Знание этих чисел помогает учёным лучше понять структуру ядра.

Магические числа для стабильных, долгоживущих изотопов известны давно, но магические числа для экзотических, короткоживущих изотопов изучены меньше. Изучая эти редкие случаи, исследователи могут глубже понять ядерный «строительный код» в экстремальных условиях. Это, в свою очередь, улучшает наше понимание того, как образовались элементы во Вселенной, и проливает свет на поведение ядерных сил.

В рамках этих усилий исследователи из Института современной физики (IMP) Китайской академии наук впервые точно измерили массу чрезвычайно короткоживущего и нейтронодефицитного ядра кремния-22, обнаружив, что число протонов 14 в кремнии-22 является новым магическим числом. Их выводы были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Когда число протонов или нейтронов достигает «магического числа», например, 2, 8, 20, 28, 50, 82 или 126, ядро становится более стабильным. Мария Гёпперт-Майер и Й. Ханс Д. Йенсен объяснили это явление в 1940–1950-х годах с помощью оболочечной модели ядра, за что были удостоены Нобелевской премии по физике в 1963 году.

В последние годы исследования экзотических ядер, далеких от долины стабильности — области на нуклидной карте, где обнаружены стабильные изотопы, — выявили новые магические числа нейтронов, такие как 14, 16, 32 и 34. Однако новые магические числа протонов по-прежнему редко встречаются в экспериментальных наблюдениях.

Ранее учёные обнаружили, что в кислороде-22 (14 нейтронов и 8 протонов) нейтрон номер 14 обладает магическими свойствами. Основываясь на ядерной зеркальной симметрии, теоретики предсказали, что протон номер 14 также должен быть магическим числом в его зеркальном ядре, кремнии-22 (8 нейтронов и 14 протонов). Однако получение и измерение кремния-22 чрезвычайно сложно из-за его низкого выхода и короткого периода полураспада, поэтому это теоретическое предсказание до сих пор не было подтверждено.

Используя улучшенную изохронную масс-спектроскопию с определением Bρ, исследователи из IMP успешно измерили массу кремния-22 в основном состоянии в охлаждающем кольце Исследовательского центра тяжёлых ионов в Ланьчжоу. Они также улучшили точность определения массы ранее измеренного кремния-23 почти в семь раз.

Их результаты показывают, что кремний-22 имеет положительную энергию разделения двух протонов, то есть он не теряет два протона спонтанно. Это подтверждает его статус ядра с протонной границей, не обладающего двухпротонной радиоактивностью, тем самым разрешая давний спор в ядерной физике.

Используя новое значение массы, группа вычислила энергию спаривания протонов кремния-22 и сравнила ее с энергией спаривания нейтронов его зеркального ядра кислорода-22, открыв новое магическое число протона 14. Это открытие подтверждается оболочечной моделью Гамова.

Хотя кремний-22 проявляет двойные магические свойства, подобные кислороду-22, исследование показало, что его пространственное распределение протонов более разбросано по сравнению с распределением нейтронов кислорода-22, демонстрируя небольшое нарушение симметрии.

Это исследование углубляет наше понимание экзотических ядерных структур и дает новое представление о взаимодействии нуклонов и существовании крайне экзотических ядер.