Фізики підтвердили наявність подвоєного магічного числа в ядрі свинцю-100.

Атоми складаються з ядра, оточеного електронною оболонкою. Всередині ядра — позитивно заряджені протони та нейтральні нейтрони. У одного елемента може бути кілька ізотопів, тобто варіацій, що відрізняються числом нейтронів у ядрі. Наприклад, кисень має 18 ізотопів: у всіх по вісім протонів, але кількість нейтронів варіюється від двох до 20.

У ядерній фізиці певні числа протонів і нейтронів у ядрі — 2, 8, 20, 28, 50 та 82 — називають «магічними». Це означає, що такі атомні ядра мають повністю заповнені ядерні оболонки та високу стабільність. Вони добре протистоять деформації і мають високу симетрію.

Якщо в ядрі одночасно присутні магічні числа і протонів, і нейтронів, такий ізотоп називають «подвійно магічним». Він має особливо міцну структуру, яку дослідники вивчають для перевірки теорій ядерної фізики.

Через короткий термін життя і складність виробництва олова-100 довгий час було проблематично його досліджувати. Фізики не могли з упевненістю стверджувати, чи володіє воно «подвійною магією». Також не вистачало даних про розмір і форму ядер, близьких до ¹⁰⁰Sn, щоб підтвердити його структуру.

Нещодавно в ЦЕРН (Європейська організація з ядерних досліджень) зібрали достатньо даних, щоб підтвердити подвійно магічний стан олова-100. Результати надають впевненість у тому, що ¹⁰⁰Sn має подвійно магічне ядро з 50 протонами та 50 нейтронами. Ці висновки відкривають нові перспективи для ядерної фізики, дозволяючи створювати більш точні теоретичні моделі.

Для більш детального дослідження вчені працювали з ізотопами індію. Вони містять на один протон менше, ніж олово-100. Такий індій став відмінною лабораторною моделлю для вивчення еволюції ядерної структури поблизу магічного стійкого стану олова-100. Розробка високочутливих методів лазерної спектроскопії дозволила вченим провести необхідні вимірювання.

Теоретична ядерна фізика також не стоїть на місці. Сучасні моделі все точніше описують структуру важких ізотопів. Обширний обсяг експериментальних даних про електромагнітні властивості ¹⁰⁰Sn допоміг не тільки підтвердити деякі аспекти існуючих теорій, але й встановити новий стандарт для подальших досліджень і моделювання.

«Експеримент колінеарної резонансної іонізаційної спектроскопії (CRIS) на CERN-ISOLDE та виробництво екзотичних ізотопів індію на цій установці дозволили нам провести точну лазерну спектроскопію атомних енергетичних рівнів індію, що надає інформацію про їх ядерні електромагнітні властивості», — пояснив професор Рональд Гарсія Руїс (Ronald Garcia Ruiz).

Зібрані дані підтвердили подвійно магічну природу олова-100, передбачену теоретичними моделями. Для більш глибокого розуміння структури цього ізотопа перший автор дослідження доктор Йонас Картхейн (Jonas Karthein) та колеги провели розрахунки та уточнили будову ізотопа.

«Наші результати надають переконливі докази подвійної магічної природи ¹⁰⁰Sn, що надає ключову експериментальну інформацію для розуміння «острова стабільності» ізотопів і розв'язує суперечності, що виникли з спектроскопічних експериментів у різних лабораторіях світу. Проста структура цих ядерних систем пропонує ідеальну модель для вдосконалення нашого теоретичного розуміння атомних ядер», — прокоментував доктор Картхейн.

Ці висновки допоможуть вченим розробляти більш точні моделі та перевіряти існуючі теорії. Очікується, що подальші дослідження дозволять проводити ще більш точні вимірювання нестабільних ізотопів, а це допоможе глибше зрозуміти структуру та властивості нестабільних ізотопів.

Дослідження опубліковано в журналі Nature Physics.