Первым результатом обновленного ускорителя ISOLDE в ЦЕРН стало прямое доказательство двойной магичности олова-132. Об успешном эксперименте сообщается в статье в Physical Rewiev Letters и релизе пресс-службы организации.

Теория устойчивости атомных ядер опирается на оболочечную модель. Согласно модели протоны и нейтроны располагаются на определенных уровнях, и, как в теории электронных оболочек в химии, количество и заполненность играет ключевую роль в предсказании свойств ядер.

Характерной особенностью оболочечной модели является существование магических чисел — такого количества протонов или нейтронов, при котором ядро становится очень стабильным по отношении к ближайшим соседям. Магические числа соответствуют заполненным оболочкам, а ядрам-счастливчикам, магичным по протонам и нейтронам (таких всего 10), уделяется особое внимание.

Олово (Sn) магично по атомному номеру (50), существует два дважды магических изотопа (Sn-100 и Sn-132). Изотоп Sn-132 наиболее интересен для исследователей, так как является ориентиром для теоретических подходов в физике более тяжелых и более насыщенных нейтронами систем. Регион вблизи олова-132 на карте атомных ядер играет решающую роль в описании нуклеосинтеза, а именно образования тяжелых ядер и точного описания элементного изобилия в Солнечной системе (вследствие так называемого r-процесса, rapid neutron-capture process). Поэтому ученым важно наиболее точно определить структуру ядерной оболочки олова-132 для более точного моделирования r-процесса.

Схема, иллюстрирующая r-процесс, происходящий при столкновениях сверхновых или нейтронных звезд / Wikipedia

Для проведения эксперимента физики взяли изотопы олова-132, произведенные с помощью установки ISOLDE (Isotope Separator On-Line Detector) и ускорили их в HIE-ISOLDE до энергии 5,49 мегаэлектронвольт на нуклон, а затем сфокусировали их на мишени из свинца-206 (206Pb) внутри матрицы детекторов гамма-излучения MINIBALL. Это возбудило нуклоны в ядрах олова-132 в состояния с более высокой энергией.

Исследователи впервые анализировали силу возбуждения, измеряя количество испускаемых возбужденным состоянием гамма-квантов. Анализ позволил обнаружить более выраженные возбуждения в олове-132 по сравнению с таковыми у его ядерных соседей. Это было предсказано теорией и является важнейшей особенностью дважды магических ядер.

Ученым удалось получить то, на что они надеялись — имеющиеся в арсенале исследователей теоретические инструменты адекватны для моделирования нуклеосинтеза. И, согласно комментарию одного из участников коллаборации на сайте ЦЕРН, получить такой результат было непросто и благодарить стоит уникальную комбинацию первичной установки ISOLDE для производства радиоактивных изотопов, нового ускорителя HIE-ISOLDE, обеспечившего идеальную энергию на нуклон для этого типа эксперимента и высокую эффективностью и превосходное энергетическое разрешение детектора MINIBALL.