Новый китайский ускоритель HIAF за 10 дней поймал редчайший изотоп гафния-153, невиданный 40 лет

Спустя всего 10 дней после запуска тестовых испытаний новейшего китайского комплекса HIAF (High Intensity heavy-ion Accelerator Facility), интернациональный коллектив исследователей зафиксировал ключевое событие, ради которого и создавалась эта установка: в накопительном кольце SRing удалось удержать 10 ядер редчайшего изотопа гафний-153 ($^{153}\text{Hf}$).

Данный нуклид, насчитывающий 72 протона и 81 нейтрон, на протяжении десятилетий числился в категории «теоретически предсказанных, но не обнаруженных». Единственная попытка заявить о его открытии, предпринятая в 2000 году, так и не прошла процедуру официального рецензирования. Теперь этот пробел закрыт окончательно, причем триумф оказался двойным: параллельно с HIAF гафний-153 был зарегистрирован японской лабораторией RIBF в институте RIKEN, что полностью исключает любые сомнения.

В основе экспериментальной методики лежал пучок ионов висмута-209, разогнанный на кольце BRing до показателей 836,66 МэВ на нуклон при плотности потока около $10^{10}$ частиц за один импульс. Сталкиваясь с графитовой мишенью, частицы порождали осколки, среди которых присутствовал и искомый гафний-153. Сечение этой ядерной реакции составило примерно один пикобарн ($10^{-36}\text{ см}^2$). Это колоссально малая вероятность: на триллион столкновений приходится в лучшем случае один результативный акт. Вычленить столь редкие ядра из мощнейшего шумового фона помог тандем передовых установок: высокочувствительного сепаратора HIRIBL и изохронного кольца SRing. В таком режиме обращения период движения иона определяется исключительно его массой, а не скоростью. Это позволяет разделять изотопы с ювелирной точностью до одной десятитысячной доли процента, благодаря чему соседние ядра разводятся в спектре на десятки стандартных отклонений.

Главным технологическим прорывом, обеспечившим успех, стала концепция нулевого фона. В классических однопроходных приборах идентификация единичных событий требует сложнейшей статистической обработки и всегда несет риск ложноположительного результата. Напротив, SRing фиксирует каждый ион десятки раз за один виток. Для подтверждения подлинности ядро обязано демонстрировать устойчивую последовательность импульсов на протяжении минимум 100 микросекунд, совершая свыше 80 оборотов по 277-метровому кольцу. Случайные шумы или аппаратные наводки физически не способны сформировать подобный паттерн.

В результате единственный пик на отметке 1159,348 наносекунды, идеально совпавший с расчетными характеристиками полностью ионизированного атома гафния-153, был идентифицирован безоговорочно — без каких-либо статистических допущений.

Научная значимость этого нуклида обусловлена его уникальным положением на атомной карте. Гафний-153 располагается в нейтронодефицитной зоне — в нем ровно на один нейтрон меньше величины, необходимой для заполнения «магического числа 82», которое формирует особо прочную внутреннюю оболочку ядра. Подобная конфигурация превращает его в идеальный инструмент для проверки стабильности оболочек в секторе тяжелых ядер с избытком протонов. Ведущие теоретические концепции (от макроподходов FRDM и WS до квантовых моделей HFB и релятивистских DRHBc) предсказывали, что данное ядро должно обладать стабильностью к протонному распаду или быть крайне слабым излучателем. Тот факт, что все 10 ядер благополучно достигли детекторов, триумфально подтвердил эти прогнозы.

Вычисление точной массы гафния-153, запланированное на ближайшее время с помощью того же SRing, станет первой реальной экспериментальной базой для оценки потенциала энергетической щели $N=82$ на протонном крае — фундаментального параметра, определяющего стабильность тяжелой материи.

Исследователи акцентируют внимание на том, что эксперимент проводился на мизерной мощности: интенсивность базового пучка составляла лишь десятую долю от максимальной, частота импульсов равнялась 0,3 Гц при потенциальных 3 Гц, а пропускная способность сепаратора многократно превосходила возможности кольца. Когда комплекс HIAF заработает на полную мощность, его чувствительность к редким изотопам возрастет на порядки. Это позволит картографировать неизведанные области ядерной таблицы вблизи протонного дрейфа — там, где ядерное взаимодействие уже не способно удерживать нуклоны вместе.

Источник: iXBT