Невиждани досега съотношения на частиците, изграждащи атомните ядра, са разкрити в рамките на забележителен експеримент, включващ фрагментация на тежки елементи.

Чрез разпадане на ядрата на платината физиците, ръководени от Олег Тарасов от Мичиганския държавен университет, откриват нови изотопи на редкоземните елементи тулий, итербий и лутеций. Това е постижение, което според учените ще им помогне да разберат свойствата на богатите на неутрони ядра и процесите, които изковават нови елементи при сблъсъка на неутронните звезди.

Според изследователите работата също така демонстрира мощта на наскоро завършеното Съоръжение за редки изотопни лъчи (FRIB) на Мичиганския държавен университет, което проведе първия си експеримент през юни 2022 г.

Не всички форми на даден елемент са изградени еднакво. Всяко атомно ядро се състои от редица субатомни частици, известни като нуклеони - протони и неутрони. Броят на протоните е постоянен във всички форми на даден елемент и дава на този елемент неговия атомен номер.

Броят на неутроните обаче може да варира. Тези разлики определят така наречените изотопи на елемента.

Всички елементи имат няколко изотопа, които се образуват с различна степен на стабилност. Някои от тях се разпадат изключително бързо и на по-леки елементи под въздействието на йонизиращо лъчение. Някои просто си остават с идеална стабилност. Разбирането на различните изотопи и тяхното поведение помага на учените да научат как Вселената създава елементи и да оценят тяхното количество в пространството и времето.

За да изковат новите изотопи, Тарасов и колегите му започват с изотоп на платината със 120 неутрона, наречен 198Pt. Стандартната платина има 117 неутрона; използването на по-тежък изотоп може да промени начина, по който ядрото се фрагментира.

Те поставят тези атоми във FRIB, който използва ускорител на тежки йони за фрагментиране на атомни ядра. Лъчи от редки изотопи се изстрелват към цел със скорост, по-голяма от половината от скоростта на светлината. Когато попаднат в мишената, тези изотопи се разпадат на по-леки изотопи на ядрата; след това физиците могат да открият и изследват тези изотопи.

При раздробяването на 198Pt екипът на Тарасов открива 182Tm и 183Tm, съответно със 113 и 114 неутрона; стандартният тулий има 69 неутрона. Те се натъкват и на 186Yb и 187Yb, съответно със 116 и 117 неутрона; стандартният итербий има 103 неутрона. И накрая, те откриват 190Lu със 119 неутрона; стандартният лутеций има 104 неутрона.

Всеки един от тези изотопи е наблюдаван в многократни пускания на ускорителя. Това означава, че FRIB може да се използва за изучаване на синтеза на богати на неутрони изотопи на тежки елементи в режими, които досега са били доста пренебрегвани - не поради липса на интерес, а на възможност за създаването и откриването им.

Това от своя страна може да ни помогне да разберем как силните космически събития създават най-тежките елементи във Вселената. Всичко по-тежко от желязо във Вселената може да се създаде само при екстремни условия, каквито се наблюдават например при свръхнови и сблъсъци между неутронни звезди.

Един от процесите на нуклеосинтеза, наблюдаван при сблъсъците на неутронни звезди, е процесът на бързо улавяне на неутрони, или r-процесът. Това се случва, когато атомните ядра поглъщат бързо свободно плаващите неутрони, които се освобождават по време на експлозията на килотонова, започвайки трансформацията им в по-тежък елемент. Така се получават златото, стронцият, платината и други тежки метали.

Според учените експериментът им е много близо до възпроизвеждането на r-процеса. Това означава, че съвсем скоро можем да разполагаме с инструмент, който да възпроизведе един от пътищата на нуклеосинтеза, наблюдавани при някои от най-силните събития във Вселената.

"Уникалните възможности на FRIB, включително много интензивни първични снопове с енергии, надвишаващи тези, които са били на разположение в Националната свръхпроводяща циклотронна лаборатория, го правят идеално съоръжение за изследване на региона около неутронното число N = 126 и по-нататък", пишат изследователите.

"Изследователите във FRIB могат да използват тези реакции за производство, идентифициране и изследване на свойствата на нови изотопи, допринасяйки за напредъка в ядрената физика, астрофизиката и разбирането ни за фундаменталните свойства на материята."

Изследването е публикувано във Physical Review Letters.

Източник: Science Alert