Группа исследователей из Центра пучков редких изотопов (FRIB) при Мичиганском государственном университете (MSU) обнаружила, что изотопы кобальта-70 образуют различные ядерные формы, когда их энергетические уровни отличаются незначительно. Результаты исследования, [опубликованные](https://www.nature.com/articles/s42005-025-01998-2) в журнале Nature Communications Physics, проливают свет на динамическую и сложную природу экзотических ядерных частиц.
Участники исследования
В команду входили Артемис Спиро, профессор физики в Центре пучков редких изотопов (FRIB) и на факультете физики и астрономии MSU, Шон Лиддик, доцент кафедры химии в FRIB и на факультете химии MSU, Алекс Браун, профессор физики в FRIB, и Кейд Дембски, бывший ассистент-исследователь в FRIB. Дембски, который сейчас работает над докторской диссертацией в Университете Нотр-Дам, выступил в качестве ведущего автора статьи.
Мотивация и методы исследования
«Когда мы впервые начали этот проект, нас мотивировала астрофизическая сторона исследований в области ядерной науки, а не фокусировка на [структуре ядра](https://phys.org/tags/nuclear+structure/), — сказал Дембски. — Однако по мере продолжения нашего [анализа данных](https://phys.org/tags/data+analysis/) мы не могли понять все закономерности, которые видели. Оказалось, что причина в некоторых интересных эффектах, связанных со структурой ядра, которых мы не ожидали, и в итоге мы написали статью об этих эффектах».
Команда использовала детектор Summing NaI (SuN) в Национальной лаборатории сверхпроводящего циклотрона, предшественнике FRIB, для проведения исследования. Они обнаружили как сферические, так и деформированные состояния кобальта-70 в эксперименте.
Результаты исследования
Результаты показали, что короткоживущий экзотический изотоп в конечном итоге существует как переход между изотопами хрома с аналогичным атомным номером и сферическими основными состояниями богатых нейтронами изотопов никеля.
В [ядерной физике](https://phys.org/tags/nuclear+physics/) исследователи давно сосредоточились на изучении ядер с «магическими числами» протонов или нейтронов. Ядра с магическими числами демонстрируют большую стабильность, чем их атомные соседи, что означает, что они медленнее распадаются. Эти ядра отличаются от своих соседей, и исследователи давно изучают их свойства.
Изотопы с магическими числами протонов и нейтронов обычно имеют сферические формы в основном состоянии. Однако незначительные колебания энергии могут иногда приводить к тому, что одно и то же ядро принимает совершенно другую форму. Это явление, известное как сосуществование форм, помогает исследователям изучать, как различные формы могут сосуществовать в одном ядре.
«Мы хотим понять форму ядра как функцию его количества протонов и нейтронов, — сказал Лиддик. — Большинство людей думают о ядре как о сфере, но мы знаем, что форма ядер может сильно различаться. И в некоторых случаях сосуществуют две разные формы при относительно близких энергиях. Для нас важно понять эту взаимосвязь, потому что в регионах, где это происходит, мы наблюдаем значительные изменения в структуре ядра при небольшом количестве протонов и нейтронов».
Методы исследования
В своём исследовании команда изучала цепочку ядерного распада железа-70 до кобальта-70, а затем до никеля-70. Команда использовала метод, называемый спектроскопией полного поглощения (TAS). Когда исследователи направляют высокоэнергетический луч на неподвижную мишень в ускорителе частиц, они получают различные изотопы. Затем исследователи выбирают подмножество для изучения, которое отправляется на экспериментальное оборудование, позволяющее учёным фиксировать гамма-лучи после соответствующего распада.
Учёные используют небольшие специализированные детекторы, которые улавливают энергию гамма-лучей, исходящих от распадающегося ядра. В этом случае команде нужно было сосредоточиться больше на общей энергии, излучаемой во время эксперимента.
«Небольшие детекторы гораздо лучше идентифицируют энергию этих гамма-лучей, но сложно точно определить, откуда эти гамма-лучи исходят», — сказал Спиро, руководитель проекта.
«Используя TAS, мы используем детектор большого объёма. Цель — не определить энергию каждого гамма-луча, а суммировать всю энергию, исходящую от распада. Если я зафиксирую все гамма-лучи таким образом, я смогу точно сказать вам, откуда они стартовали. В этом преимущество нашей техники, потому что, если мы хотим обратить внимание на частицы, которые демонстрируют сосуществование форм, нам нужно действительно составить карту всего пути их распада».
Команда использовала SuN для метода TAS. Их находки удивили их: в ходе анализа данных команда обнаружила частицы кобальта-70, демонстрирующие как сферические, так и деформированные состояния. Эти ядра продемонстрировали сосуществование форм и сделали это с одной из наименьших разниц в энергии, зарегистрированных при документировании этого явления.
Дембски начал работать с группой Спиро в SuN ещё будучи студентом бакалавриата в MSU. Хотя первоначальный эксперимент команды был сосредоточен на астрофизических исследованиях, а не на теории ядерной структуры, эти неожиданные находки заинтриговали Дембски.
«Эта работа имела окольный путь к этому очень чистому проекту по изучению структуры ядра, — сказал он. — К тому времени, когда мы сосредоточились на нём, я был очень заинтересован в нём, поскольку меня интересует структура ядра в более широком смысле, и я увидел, что она будет играть значительную роль в моей карьере».
Предоставлено Центром пучков редких изотопов Мичиганского государственного университета.