Екип от физици от Института по съвременна физика, част от Китайската академия на науките, направи първото точно измерване на масата на силиций-22: ядро с много кратък живот и недостиг на неутрони. Резултатите им, публикувани в сп. Physical Review Letters, показват, че протон номер 14 в силиций-22 действа като ново „магическо число“ в ядрената физика.

Атомните ядра са изградени от протони и неутрони. Определен брой от тези частици, наречени „магически числа“, правят ядрата необичайно стабилни. Класическите магически числа за стабилни изотопи са 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126. Тази идея е обяснена в средата на 20-ти век от Мария Геперт Майер и Ханс Д. Йенсен чрез модела на ядрената обвивка, работа, за която те получават Нобелова награда за физика през 1963 г. Докато магическите числа за стабилни изотопи са добре установени, тези за екзотични, краткоживеещи изотопи все още се откриват. Изследването на тези редки случаи помага на учените да тестват ядрените сили при екстремни условия и да разберат по-добре как се образуват елементите във Вселената, тъй като ядрените сили са две от четирите фундаментални сили в природата.

През последните години изследователите откриха нови магически числа на неутроните, като 14, 16, 32 и 34, в екзотични ядра, далеч от стабилност. Но ясни доказателства за нови магически числа на протоните са много по-трудни за откриване. По-ранни проучвания показаха, че кислород-22, който има 14 неутрона и 8 протона, се държи като магическо ядро при неутронно число 14. Въз основа на ядрената огледална симетрия теоретиците предсказаха, че протон номер 14 също трябва да е магически в огледалното ядро, силиций-22, който има 14 протона и 8 неутрона.

Огледалните ядра са двойки атомни ядра, при които броят на протоните и неутроните е разменен между двете ядра.

Проблемът беше, че силиций-22 е изключително труден за производство в достатъчно големи количества и се разпада много бързо, така че това предсказание не беше потвърдено досега.

Използвайки подобрена техника за изохронна масова спектроскопия (IMS), дефинирана от Bρ, в охлаждащия съхранителен пръстен на съоръжението за изследване на тежки йони в Ланчжоу, екипът на Института по съвременна физика успя да измери масата в основното състояние на силиций-22, което е първото измерване на масата на ядрото на протонната капкова линия.

Ядрото с протонна капкова линия е екзотично, богато на протони ядро на границата на ядрената стабилност, отвъд която не може да свърже допълнителен протон и ще се разпадне чрез емисия на протони.

Те също така преизмериха силиций-23 с почти седем пъти по-голяма точност. Резултатите показаха, че силиций-22 има положителна енергия на разделяне на два протона, което означава, че по естествен път не излъчва два протона. Това потвърждава, че силиций-22 се намира на протонната капкова линия, но не претърпява радиоактивност с два протона, с което се разрешава дългогодишен дебат в ядрената физика.

С новата стойност на масата изследователите изчислиха енергията на протонното двойничество на силиций-22 и я сравниха с енергията на неутронното двойничество на кислород-22. Анализът потвърди, че протон номер 14 наистина е ново магическо число, заключение, подкрепено и от модела на Гамов.

Моделът на Гамов е разширение на традиционния ядрен модел в равнината на комплексната енергия, за да опише екзотични слабо свързани и резонансни ядра, които традиционният модел не може да обясни.

Както силиций-22, така и кислород-22 проявяват „двойно магически“ свойства, но проучването установи разлика в техните вътрешни структури. Протоните в силиций-22 са по-разпръснати от неутроните в кислород-22, което показва леко нарушаване на огледалната симетрия.

Това откритие дава на учените нова представа за структурата на екзотичните ядра и за взаимодействието между нуклоните. То също така насърчава по-широките усилия за декодиране на „строителния код“ на ядрата при екстремни условия, като ни помага да разберем как са се формирали самите материи във Вселената при такива условия по време на нейното създаване.

Снимка: Unsplash

Виж още: NASA обмисля ядрен удар срещу астероид, който заплашва да се сблъска с Луната