Группа исследователей из Центра пучков редких изотопов (FRIB) при Мичиганском государственном университете (MSU) обнаружила, что изотопы кобальта-70 формируют различные ядерные структуры, когда их энергетические уровни отличаются незначительно. Результаты, [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.
В команду исследователей входили:
* Артемис Спиро, профессор физики в Центре пучков редких изотопов (FRIB) и на кафедре физики и астрономии MSU;
* Шон Лиддик, доцент кафедры химии в FRIB и на кафедре химии MSU, а также заведующий отделом экспериментальной ядерной науки в FRIB;
* Алекс Браун, профессор физики в FRIB;
* Кейд Дембски, бывший ассистент по научным исследованиям в FRIB. Дембски, который сейчас работает над докторской степенью в Университете Нотр-Дам, выступил в качестве ведущего автора статьи.
«Когда мы только начали этот проект, нас мотивировала астрофизическая сторона исследований в области ядерной науки, а не изучение ядерной структуры, — сказал Дембски. — Однако по мере продолжения анализа данных мы не могли понять все закономерности, которые видели. Оказалось, что причина в некоторых интересных эффектах ядерной структуры, 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 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 исследователи давно сосредоточились на изучении ядер с «магическими числами» протонов или нейтронов.
Ядра с магическими числами демонстрируют большую стабильность, чем их атомные соседи, а это значит, что они медленнее распадаются. Эти ядра отличаются от своих соседей, и исследователи давно сосредоточили исследования на их свойствах.
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».
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 луч с высокой энергией 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 их соответствующего распада.
Учёные используют небольшие специализированные детекторы, которые улавливают энергию гамма-излучения, исходящего от распадающегося ядра. В этом случае команде нужно было больше сосредоточиться на общей энергии, излучаемой во время эксперимента.
«Небольшие детекторы намного 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, поступающую от распада. Если я зафиксирую все гамма-лучи таким образом, я смогу точно сказать вам, откуда они взялись. В этом преимущество нашей техники, потому что, если мы хотим обратить внимание на частицы, которые демонстрируют сосуществование форм, нам нужно действительно наметить весь путь их распада».
Команда использовала SuN для техники TAS. То, что они обнаружили, удивило их: при анализе данных команда обнаружила, что частицы кобальта-70 демонстрируют как сферические, так и деформированные состояния. Эти ядра продемонстрировали сосуществование форм и сделали это с одной из наименьших различий в энергии, зарегистрированных при документировании этого явления.
Дембски начал работать с группой Спиро в SuN, будучи студентом бакалавриата в MSU. Хотя первоначальный эксперимент команды был сосредоточен на астрофизических исследованиях, а не на теории ядерной структуры, эти неожиданные результаты заинтриговали Дембски.
«Эта работа прошла окольным путём к этому очень чистому проекту по изучению ядерной структуры, — сказал он. — К тому времени, когда мы сосредоточились на нём, я был очень заинтересован в нём, поскольку меня интересует ядерная структура в более широком смысле, и я увидел, что она будет играть значительную роль в моей карьере».
Предоставлено Центром пучков редких изотопов Мичиганского государственного университета.