Международная группа учёных из Университета Теннесси и коллаборации ISOLDE (CERN) сделала прорыв в понимании того, как во Вселенной рождаются тяжёлые химические элементы — от серебра до золота, платины и урана. Работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters, впервые позволила напрямую измерить редчайший тип ядерного распада, который играет решающую роль в так называемом r-процессе.

Как рождаются тяжёлые элементы

Тяжёлые элементы (тяжелее железа) не могут образоваться в обычных звёздах — для этого нужны экстремальные условия: взрывы сверхновых или столкновения нейтронных звёзд. В таких событиях происходит r-процесс (rapid neutron capture) — ядра быстро захватывают огромное количество нейтронов, становятся сверхтяжёлыми и нестабильными, а потом через цепочку бета-распадов превращаются в более устойчивые атомы.

Многие промежуточные ядра в этой цепочке существуют лишь доли секунды и крайне редки, поэтому их свойства почти невозможно изучить напрямую. Именно поэтому до сих пор оставались огромные пробелы в понимании, как именно образуются золото, платина и другие драгоценные металлы.

Эксперимент на ISOLDE: индий-134 в центре внимания

Учёные взяли крайне редкий изотоп индия-134 и наблюдали за его распадом на установке ISOLDE в CERN. При бета-распаде индий-134 превращается в возбуждённые состояния изотопов олова — олово-134, олово-133 и олово-132. Для регистрации продуктов использовался специальный нейтронный детектор высокой чувствительности.

Самое важное открытие — первое прямое измерение энергии нейтронов при бета-запаздывающем испускании двух нейтронов (β2n-процесс). Этот крайне редкий распад происходит только в самых нестабильных ядрах на границе нейтронной капли.

«Выделение двух нейтронов — самый важный результат нашей работы», — отметил профессор Роберт Гживоч из Университета Теннесси.

До сих пор такие события регистрировали лишь по факту испускания нейтронов, но их энергии никто не измерял — нейтроны слишком легко рассеиваются, и отличить один нейтрон от двух было почти невозможно. Новая методика открывает путь к точным измерениям.

Другие ключевые результаты

Второе открытие — первое экспериментальное подтверждение давно предсказанного нейтронного состояния в ядре олова-133. Это состояние оказывается промежуточным этапом в процессе испускания двух нейтронов.

Раньше считалось, что после бета-распада ядро быстро «забывает» своё предыдущее состояние и просто испускает нейтроны для снятия возбуждения. Новые данные показывают обратное: ядро частично сохраняет «память» о том, как оно образовалось.

Третье — обнаруженное состояние возникает не так, как предсказывали существующие статистические модели ядерных реакций. Это значит, что наши теоретические представления о поведении экстремально нейтронно-избыточных ядер нуждаются в серьёзной корректировке.

Почему это важно для астрофизики

Точные данные о β2n-процессе и энергиях нейтронов позволят значительно улучшить модели r-процесса. Теперь астрофизики смогут точнее рассчитывать, сколько золота, платины и других элементов рождается при слиянии нейтронных звёзд и взрывах сверхновых.

«Полученные результаты помогут улучшить модели r-процесса и точнее описывать образование тяжёлых элементов в космических катастрофах», — подчёркивают авторы.

Дальнейшие исследования нестабильных ядер могут радикально изменить наши представления о химической эволюции Вселенной и о том, какие процессы происходят в самых экстремальных астрофизических событиях.

Вкратце

Физики из Университета Теннесси и CERN впервые измерили энергии нейтронов при бета-запаздывающем испускании двух нейтронов в ядре индия-134 — ключевом процессе r-процесса, который рождает золото, платину и другие тяжёлые элементы. Также впервые наблюдено предсказанное нейтронное состояние в олове-133 и показано, что ядро сохраняет «память» о предыдущем состоянии. Результаты ставят под сомнение некоторые статистические модели и открывают путь к более точным астрофизическим расчётам. Работа опубликована в Physical Review Letters.