Синтезирован необъяснимо короткоживущий «магический» изотоп кислорода. Это может заставить изменить теоретические модели атомных ядер

Физики-ядерщики предсказывали особую стабильность изотопов с «магическим» числом протонов или нейтронов в ядре. Для нового изотопа кислорода, полученного в японской лаборатории, предсказание не подтвердилось, и ученые пытаются понять причины этого. Возможно, физикам придется изменить модели, с помощью которых предсказываются свойства атомных ядер.

Как сообщает журнал Nature, физики из японского научно-исследовательского института Riken впервые получили изотоп кислорода-28. В нем на 12 нейтронов больше, чем в нормальном кислороде-16 — наиболее распространенном изотопе природного кислорода.

Этот изотоп представлял большой интерес, так как он относится к «двойным магическим ядрам». Ядра атомов состоят из положительно заряженных протонов и не имеющих электрического заряда нейтронов, которые связаны ядерным взаимодействием. От соотношения числа этих частиц зависит, будет ли ядро стабильным. Особыми свойствами обладают ядра, в которых число протонов или нейтронов равно одному из так называемых магических чисел — 8, 20, 28, 50, 82 или 126. Такие ядра, даже если они нестабильны, живут дольше, чем немного отличающиеся от них по числу протонов или нейтронов «немагические» нестабильные ядра. Магические числа являются проявлением оболочечной структуры ядер и соответствуют полностью заполненным протонной или нейтронной оболочке. Это можно сравнить с полным заполнением электронной оболочки у благородных газов, что делает их особенно устойчивыми — поэтому они практически не вступают в химические реакции с другими веществами. Если в ядре «магическими» являются и число протонов, и число нейтронов, то такие ядра называют «дважды магическими». К «дважды магическим» ядрам относится и наиболее распространенный стабильный изотоп кислорода: в нем 8 протонов и 8 нейтронов.

Изучение синтеза и распада несуществующих в природе атомных ядер — один из способов понять особенности ядерного взаимодействия. Ученые давно предсказывали «магические» свойства несуществующего в природе кислорода-28, в котором 8 протонов и 20 нейтронов. Эксперимент по его синтезу проводился на ускорительном комплексе Riken для производства и изучения короткоживущих изотопов. Ядерщики сначала направляли пучок изотопов кальция-48 на мишень из бериллия, при этом рождались ядра изотопа фтора-29. В них на один протон больше, чем нужно для искомого кислорода-28. Поэтому ученые сталкивали пучок изотопов фтора-29 с мишенью из жидкого водорода, при этом из фтора вылетал один протон, и получался кислород-28.

Из-за его нестабильности кислород-28 невозможно детектировать непосредственно, поэтому физики детектировали его продукты распада: кислород-24 и четыре нейтрона. Это первое одновременное наблюдение четырех нейтронов в таком процессе. Для него японские ядерщики позаимствовали детектор из Института тяжелых ионов имени Гельмгольца в Дармштадте.

Ученым не удалось измерить время жизни кислорода-28 — он распадался практически сразу после того, как возникал, то есть вел себя не как дважды магический изотоп. Между тем физики ожидали, что в силу своих «магических» чисел протонов и нейтронов он поживет подольше. Поэтому данный эксперимент поднимает много вопросов по поводу нынешних теоретических моделей. Одним из ответов на эти вопросы, по мнению физиков, может стать синтез кислорода-30 и сравнение его времени полураспада с временем полураспада кислорода-28.