Радиоактивный распад — это природный механизм, при котором нестабильное атомное ядро теряет энергию, испуская частицы. Изучение этих процессов помогает ученым понять самую суть материи. Особый интерес представляют экзотические типы распада, например, протонная эмиссия. Они работают как инструмент для исследования ядер, живущих на самой грани существования, далеко от так называемой «долины стабильности» — региона на карте ядер, где обитают стабильные изотопы.

В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, международная группа физиков из Института современной физики Китайской академии наук сообщила о первом в истории наблюдении и изучении свойств нового, невероятно нестабильного изотопа — алюминия-20. Он распадается редчайшим способом, испуская сразу три протона.

Алюминий-20 — самый легкий из известных нам изотопов алюминия. Он находится за «протонной каплей», границей, за которой ядра мгновенно испускают протоны. У него на семь нейтронов меньше, чем у стабильного алюминия, — поясняет первый автор исследования, доцент Института современной физики Сюй Сяодун.

Эксперимент провели в Германии, в Центре по исследованию тяжелых ионов имени Гельмгольца (GSI). Используя специальную методику анализа распадов летящих ядер, физики смогли измерить угловые корреляции продуктов распада и тем самым окончательно подтвердить рождение нового ядра.

Детальный анализ показал, что распад происходит в два шага. Сначала ядро алюминия-20 испускает один протон, превращаясь в промежуточное ядро магния-19 в его основном состоянии. А то, в свою очередь, мгновенно распадается, выбросив два протона одновременно. Так алюминий-20 стал первым в мире трехпротонным эмиттером, чья дочерняя частица сама является двухпротонным радиоактивным ядром.

Еще одно открытие: энергия распада алюминия-20 оказалась заметно меньше, чем предсказывала теория, основанная на изоспиновой симметрии. Это указывает на возможное нарушение этой симметрии между алюминием-20 и его зеркальным партнером, неоном-20. Современные теоретические расчеты это подтверждают: они предсказывают, что спины и четности основных состояний этих ядер-зеркал должны различаться.

Эта работа углубляет наше понимание протонной эмиссии и позволяет заглянуть внутрь ядер, существующих за гранью протонной капли, — резюмирует Сюй Сяодун.

На сегодня ученые открыли более 3300 нуклидов, но лишь менее 300 из них стабильны и существуют в природе. Остальные нестабильны и рано или поздно распадаются. Основные типы распада (альфа, бета-минус, бета-плюс, электронный захват, гамма-излучение и деление) были открыты еще к середине XX века.

С тех пор, благодаря мощному рывку в развитии ускорителей и детекторов, физики начали обнаруживать экзотические режимы распада, особенно у ядер с сильным дефицитом нейтронов. В 1970-х нашли однопротонную радиоактивность. В начале 2000-х открыли двухпротонную. А в последние годы ученые стали свидетелями и вовсе редких явлений: эмиссии трех, четырех и даже пяти протонов.

Прямой, сиюминутной «пользы» в виде нового лекарства или технологии здесь нет. Фундаментальная наука работает иначе. Ценность этого открытия в том, что оно предоставляет уникальные экспериментальные данные для проверки и тонкой настройки современных теоретических моделей ядра. Алюминий-20 — это сложнейший природный пазл. Чтобы точно описать его структуру и распад, теории должны быть не просто правильными, а прецизионными.

Эти уточненные модели — ключ к пониманию процессов нуклеосинтеза во Вселенной, например, в взрывах сверхновых или слияниях нейтронных звезд, где рождаются именно такие экзотические, нестабильные ядра. Без понимания их свойств мы не сможем полностью воссоздать цепочку рождения элементов во Вселенной. Кроме того, такие исследования на пределе возможностей техники неизбежно приводят к развитию самих технологий — в области детекторов частиц, обработки больших данных и ускорительной физики.

Основное замечание лежит в методической плоскости: техника in-flight decay (распад в полете), блестяще работающая для обнаружения и первичной спектроскопии таких короткоживущих ядер, все же может иметь ограничения в точности определения некоторых квантовых характеристик (спина, четности) по сравнению с другими методами, например, с изучением распада остановленных в материале ядер. Хотя авторы и подкрепляют свои выводы современными теоретическими расчетами, абсолютно независимое экспериментальное подтверждение свойств как Al-20, так и его дочери Mg-19 (которая сама существует мгновения) с помощью альтернативной методики было бы крайне ценно для окончательного и беспрекословного принятия этих результатов научным сообществом. Пока такая возможность технически может быть недостижима, что оставляет место для дальнейшей работы.

Ранее ученые увеличили производство редких изотопов в реакторах.