Физики-ядерщики из Университета Тенси (Юта) представили результаты исследования, которое проясняет ключевые аспекты формирования тяжелых элементов, включая золото, в экстремальных космических условиях. Работа посвящена механизмам, лежащим в основе процесса быстрого захвата нейтронов (r-процесса), который происходит при коллапсе, взрыве или столкновении звезд. Ученые сообщают о трех взаимосвязанных открытиях, позволяющих лучше понять ядерные трансформации, предшествующие образованию стабильных элементов.
Полученные данные имеют важное прикладное значение. Они способствуют созданию более точных моделей звездных событий, ответственных за нуклеосинтез тяжелых элементов. Кроме того, исследование улучшает понимание поведения экзотических атомных ядер, что может найти применение как в фундаментальной ядерной физике, так и в астрофизических расчетах.
Исследование американских физиков раскрывает ключевые детали ядерных процессов, ведущих к образованию золота и других тяжелых элементов в космосе. Полученные результаты позволяют усовершенствовать модели звездных событий и прогнозировать свойства экзотических ядер, что важно для развития ядерной физики и астрофизики.
Ученые только что раскрыли новые ядерные секреты, которые позволяют объяснить, как экстремальные космические события создают золото. Фото: AI/ScienceDaily.com
Золото не может образоваться до тех пор, пока нестабильные атомные ядра не претерпят распад. Долгое время оставалось не до конца ясным, как именно протекают эти ядерные трансформации. Теперь физики-ядерщики из Университета Тенси (Юта) сообщают о трех открытиях, сделанных в рамках одного исследования, которые проясняют важные аспекты данного процесса. Их результаты могут помочь исследователям создавать более совершенные модели звездных событий, ответственных за синтез тяжелых элементов, а также точнее предсказывать поведение экзотических атомных ядер.
Тяжелые элементы, такие как золото и платина, образуются в экстремальных условиях, включая коллапс, взрыв или столкновение звезд. Эти события запускают процесс быстрого захвата нейтронов (или r-процесс). В ходе данного процесса атомное ядро быстро захватывает нейтроны. По мере того как ядро становится тяжелее и нестабильнее, оно в конечном итоге претерпевает превращения, приводящие к образованию более легких и стабильных форм.
В этом пути на диаграмме нуклидов обычная цепочка включает бета-распад родительского ядра с последующим высвобождениемм двух нейтронов. Атомные ядра, присутствующие в этих реакциях, чрезвычайно редки и нестабильны, что делает их трудными или даже невозможными для непосредственного изучения в экспериментах. Из-за этого ученые во многом полагаются на теоретические модели, которые необходимо проверять и уточнять с использованием лабораторных данных.
Изучение дополнительных ядер с помощью установки ISOLDE CERN
Чтобы более внимательно изучить этот процесс, исследователи UT сотрудничали с учеными из нескольких институтов. В состав команды вошли аспиранты UT Питер Дизель и Джейкоб Гуж, профессор Роберт Грживач, доцент Мигель Мадурга и научный сотрудник Моника Пирса-Силковска. Их работа также была основана на методах анализа данных, разработанных доцентом-исследователем Чжэнъюй Сюем.
Исследователи начали изучать большое количество редкого изотопа Индии-134.
«Эти ядра сложно изготовить, и для их синтеза в достаточных количествах требуется множество новых технологий», — сказал он. – пояснил Гживач.
Команда провела эксперименты на станции определения ISOLDE в ЦЕРНе, которая вызвала большое количество ядер Индии-134 и использовала передовые методы лазерного разделения для обеспечения их чистоты. Когда Индий-134 вызывает распад, он последовательно возбуждает формы олова-134, олова-133 и олова-132.
В результате обнаружения нейтронов, созданного в Университете Техаса и финансируемого в рамках программы крупных исследований научного фонда, ученые сделали три важных открытия. Наиболее вероятным результатом стало первое измерение энергии нейтронов, связанных с бета-замедленной эмиссией двух нейтронов.
«Выброс двух нейтронов — самая важная», — сказал он. — сказал Гживач.
Бета-задержанное двухнейтронное излучение происходит только в экзотических ядрах, которые нестабильны и кратковременны. Энергия, необходимая для отделения двух нейтронов от ядра, чрезвычайно мала, но в этом эксперименте она была достаточно велика, чтобы ее можно было измерить.
«Причина, по которой это сложно, заключается в том, что нейтроны любят подпрыгивать. Трудно сказать: один это или два, — сказал он. – пояснил Гживач. В более ранних попытках «никто не медицинской энергии», так что этот подход «открывает совершенно новую область».
Это исследование знаменует собой первое тщательное исследование испускания двух нейтронов из ядра, расположенного вдоль пути r-процесса. Результаты дают ценную информацию для улучшения моделей, описывающих, как звездные события создают такие тяжелые элементы, как золото.
Долгожданное нейротронное состояние в олове
Вторыми крупными открытиями команды стало первое наблюдение давно предсказанного одночастичного нейтронного состояния в олове-133. По мнению Грживача, яд изначально находится в возбужденном состоянии и для хранения необходимо высвободить энергию.
«Олово находится в возбужденном состоянии. (Оно)Надо остывать. Он может выпустить нейтрон, а при наличии достаточной энергии — два нейтрона. Он всегда должен испустить два нейтрона, но это не так».
Традиционно ученые считают, что ядро олова просто высвобождает нейтроны для охлаждения, фактически теряя любые следы более ранних событий бета-распада. В этом контексте ведет себя как «ядро, страдающая амнезией». не помню, как оно образовалось.
"Мы говорим, что банк не забывает" — сказал Гживач. «Эта «тень» Индия не исчезает полностью. Память не стирается».
Усовершенствование детекторов нейтронов помогает исследователям определить это неуловимое ядерное состояние. Это наблюдение предполагает, что текущие теоретические объяснения неполны и что ученым нужна более сложная концепция, чтобы объяснить, почему при некоторых выводах выводятся один нейтрон, а при других — два.
«Люди искали его 20 лет, и мы нашли его», — сказал он. — сказал Гживач. «Эти два нейтрона останутся, и мы увидим это состояние».
Он отметил, что новое наблюдаемое состояние представляет собой промежуточную стадию в последовательности испускания двух нейтронов. Он также представляет собой окончательное элементарное возбуждение ядра олова-133, помогая построить структуру ядра и повысить точность расчетов.
Третье открытие бросает вызов существующих моделей
Исследование также выявило потрясающий положительный результат. Исследователи наблюдали за нестатистической популяцией этого недавно выявленного штата. Проще говоря, способ заселения состояния во время заключения не соответствует правилам, которые обычно ожидают ученые.
Гживач объяснил, что окружающая среда в этом эксперименте относительно чистая. Ядерные государства скорее делятся, чем сгруппированы.
"Вы не готовите гороховый суп," — сказал он. «Тем не менее, в большинстве случаев он ведёт себя как гороховый суп. Каким-то образом происходит этот статистический механизм. Почему это особенность, хотя этого не должно быть так, и почему в нашем актерском составе этого нет»?
Результаты показывают, что по мере того, как ученые исследуют область финансирования ландшафта, вдали от стабильности, особенно среди экзотических ядер, таких как Теннессин, такие модели больше не применимы. Для описания этих экстремальных систем, вероятно, потребуются новые теоретические подходы.
Любовный опыт, ведущий к новым открытиям
Поиск улучшенных моделей ядерной структуры и формирования у ученых больших возможностей для молодых людей, таких как Диззель. Он присоединился к исследовательской группе Грживача в 2022 году и стал первым автором статьи Physical Review Letters , описывающей открытия.
Его обязанности во время эксперимента были обширными. Дызель изготовил каркасы для детекторов слежения за нейтронами и собрал их в экспериментальной установке. Он установил электронную систему, сконструировал бета-детекторы, провел тестовые измерения, разработал программное обеспечение для сбора данных, настроил систему синхронизации и проанализировал полученные данные. Несмотря на его явную роль, проект осуществляется с постоянными усилиями с привлечением многих внимания.
«Успех этой работы отчасти обусловлен моими коллегами и сотрудниками, чье руководство и конструктивный вклад сыграли решающую роль», — сказал он. — сказал он.
Дизель родом из Джексонвилля, штат Флорида, поступил в Юту после получения степени бакалавра физики в Университете Северной Флориды. Его интерес к ядерной науке появился еще во время курса общей химии, когда он впервые узнал о бета-распаде. Идея о том, что ядерные превращения могут создавать совершенно новые элементы с другими причинами, привлекла его внимание, что сначала побудило его задуматься о получении научной степени по химии.
"Только когда я получил степень бакалавра, я приступил к уроку физики, что внезапно привело меня к получению степени по физике," он объяснил. «Мне всегда было интересно понять, как устроен мир, и физика была и остается тем путем, по которому я хочу пойти в прошлое из-за этого любопытства».