Зеркальные ядра криптона и селена продемонстрировали сильное нарушение симметрии. Физики давно заметили отклонение энергетических состояний этих ядер от ожидаемых и теперь измерили вероятности гамма-переходов в криптоне, селене и броме. Обнаруженные расхождения с теоретическими предсказаниями невозможно объяснить в рамках существующих моделей. Ученые предположили, что они связаны с различиями в форме ядер. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters. Katrin Wimmer et al. / Physical Review Letters, 2021
Зеркальные ядра — это ядра с одинаковым массовым числом, которые превращаются друг в друга при замене протонов в них на нейтроны, а нейтронов на протоны. У них близкие спектры возбужденных состояний, одинаковые значения спина и четности, а их массы отличаются на небольшую величину.
Существование этих ядер можно объяснить схожестью протонов и нейтронов во всем, кроме заряда. Для сильного взаимодействия, связывающего кварки внутри нуклонов и других адронов, они абсолютно идентичны, и отличаются только одной квантовой характеристикой — проекцией изоспина. Поэтому их рассматривают как разные состояния одной частицы с изоспином ½: у протона его проекция -½, а у нейтрона +½. Небольшую разницу в их массах — всего 0,1 процента — связывают с электромагнитным взаимодействием, считая, что нарушения симметрии сильного взаимодействия малы и не приводят к видимым эффектам.
Физики изучают зеркальные ядра, чтобы получить информацию о нарушениях изоспиновой симметрии. До сих пор основным способом сделать это был анализ разностей энергий возбужденных состояний зеркальных ядер. Недавно нарушение симметрии было обнаружено в зеркальной паре с массовым числом 73: 73Sr и 73Br. У этих ядер отличаются спины основных состояний, но разность энергий их возбуждения составляет всего 27 килоэлектронвольт. Это нарушение очень маленькое, и его можно сопоставить с другими случаями.
Однако у зеркальных ядер должны быть не только близкие энергетические спектры. Такие ядра являются членами одного изобарического мультиплета — набора ядер с одинаковым массовым числом. Независимость сильного взаимодействия от заряда предполагает, что у всех членов мультиплета будут одинаковые волновые функции и чистые изоспиновые состояния без смешивания. Энергии возбуждения не дают информации о симметрии волновых функций и чистоте изоспиновых состояний.
Кэтрин Виммер (Katrin Wimmer) из Токийского университета и ее коллеги использовали другой, более точный способ проверки нарушения изоспиновой симметрии. В его основе лежит матрица электромагнитных переходов, каждому элементу которой ставится в соответствие изоскалярный или изовекторный переход между разными состояниями ядер. Зная элементы этой матрицы, можно рассчитать вероятности переходов. По теоретическим предсказаниям вероятность должна меняться линейно.
Для эксперимента выбрали мультиплет ядер с массовым числом 70: он включает ядро 70Br, а также зеркальные ядра 70Kr и 70Se. Предыдущие исследования уже выявили необычное поведение ядер этого мультиплета, связанное с различиями в их кулоновской энергии.
В новом эксперименте физики использовали ионный ускоритель, чтобы получить пучок ядер. После их направили в слой золотой фольги. При столкновении с ядрами мишени происходило излучение гамма-квантов, спектр которых зафиксировали и проанализировали на наличие нужных переходов — из возбужденного состояния со спин-четностью 2+ в основное состояние 0+. Возбужденное состояние 2+ вызвано комбинацией электромагнитного и ядерного взаимодействий между потоком ядер и мишенью. С помощью компьютерной модели ученые разделили вклады ядерных и электромагнитных сил, рассчитали величину деформации ядер и вероятность нужного гамма-перехода.
Эти вероятности напрямую связаны с волновыми функциями ядер. По сравнению с энергиями возбуждения они сильнее зависят от того, как влияют на волновые функции количества нейтронов и протонов.
Чтобы убедиться в правильности проведенного анализа, физики сравнили новые значения со значениями из предыдущих исследований для 70Se и 70Br, а также для нескольких близких ядер. Для 70Kr такие измерения проводились впервые.
Значения вероятностей перехода B(E2, 2+ → 0+) для ядер мультиплета с массовым числом 70 и близких к ним. Данные, полученные в настоящей работе, отмечены синим, а данные из предыдущих исследований — черным. Ожидалось линейное уменьшение значений изовекторных матричных элементов от 70Se к 70Kr. Но полученное значение для криптона серьезно отклонилось от линейной аппроксимации. Величина отклонения составила 3σ — это значит, что его нельзя объяснить случайными флуктуациями.
Значения изовекторных матричных элементов для мультиплета с массовым числом 70. В верхней части рисунка зеленой линией обозначена вероятность ожидаемых значений для криптона. В нижней части рисунка линиями разного цвета показаны предсказания различных моделей, красные точки — данные, полученные в настоящей работе, черные — данные предыдущих исследований. В отклонение от линейного тренда вносит свой вклад смешивание состояний с изоспинами 0 и 1. Но одно только смешивание не могло вызвать наблюдаемые изменения в вероятностях переходов. Возможным объяснением может служить деформация 70Kr относительно его зеркального ядра 70Se. Существующие теоретические расчеты, даже учитывающие легкую деформацию, не могут описать полученные значения вероятностей и сильное их увеличение для 70Kr. Необходимо создание новой теоретической модели.
Екатерина Назарова
*************
Большая международная группа исследователей доказала, что осколки расщепляющихся ядер атомов начинают вращаться после того, как они расщепляются во время деления. Ученые описали свои эксперименты, которые однажды смогут полностью объяснить, почему такие фрагменты вообще начинают вращаться.
Предыдущие исследования показали, что атомные ядра с большим количеством протонов и нейтронов нестабильны. Таким образом, они склонны к расщеплению, известному как ядерное деление. Предыдущие результаты говорили, что после расщепления фрагменты атомных ядер начинают вращаться, когда они выбрасываются из центра. Почему они начинают вращаться — остается загадкой с тех пор, как более 80 лет назад было обнаружено ядерное деление.
Пытаясь понять, почему фрагменты начинают вращаться, физики больше узнали о процессе расщепления. Они обнаружили, например, что непосредственно перед расщеплением ядро удлиняется и образует шейку — шейка удлиняется дальше, а затем, в конце концов, происходит расщепление.
После того, как расщепление было обнаружено, физики начали теоретизировать, почему образуется шейка и приводит к расщеплению ядра. Кроме того, они начали задаваться вопросом: началось ли вращение фрагментов до или после разрыва. В рамках этой новой попытки исследователи провели эксперименты, показавшие, что вращение начинается после разрыва.
Работа включала изучение осколков, образовавшихся в результате деления нескольких типов нестабильных элементов, таких как уран-238 и торий-232. В рамках своего исследования они внимательно изучили гамма-лучи, выделяющиеся после деления.
Ученые заметили, что эти лучи передают информацию о вращении изучаемых фрагментов. Кроме того, они ожидали, что если вращение, возникшее в результате деления, произойдет до разрыва, то все осколки в данной области почти наверняка будут иметь одинаковый спин, но противоположны друг другу. Но они обнаружили, что это не так. Вместо этого все их вращения были полностью независимы друг от друга. Это открытие убедительно свидетельствует о том, что вращение начинается после разрыва.
Ксения Суворова Главный редактор