Радиоактивный распад – это естественный процесс, в котором нестабильное ядро атома теряет энергию, испуская излучение. Исследование различных типов ядерного распада необходимо для понимания структуры атомных ядер. Особенно важными являются экзотические способы распада, например, испускание протонов, поскольку они предоставляют ценные спектроскопические инструменты для изучения ядер, расположенных вдали от линии стабильности – области, где находятся стабильные ядра на ядерной диаграмме.
В исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, физики Китайской академии наук сообщили о первом наблюдении и спектроскопии алюминия-20 — ранее неизвестного и нестабильного изотопа, который распадается в результате редкого процесса испускания трёх протонов.
«Алюминий-20 является наименее тяжелым из известных изотопов алюминия. Этот изотоп расположен за пределами протонной капельной линии и содержит на семь нейтронов меньше, чем стабильный изотоп алюминия», — отметил доцент Сю Сяодун из Института физики высоких энергий, первый автор исследования.
Используя метод распада в полёте на сепараторе фрагментов в Центре исследований тяжёлых ионов имени Гельмгольца в Дармштадте, исследователи определили угловые корреляции продуктов распада алюминия-20 и идентифицировали новое ядро — алюминий-20.
В ходе детального анализа угловых корреляций было установлено, что основное состояние алюминия-20 сначала распадается, испуская один протон и переходя в промежуточное основное состояние магния-19. После этого основное состояние магния-19 также распадается, сопровождаясь испусканием двух протонов. Алюминий-20 является первым идентифицированным источником трёхпротонного излучения, где дочернее ядро, возникающее в результате однопротонного распада, представляет собой двухпротонное радиоактивное ядро.
Анализ показал, что энергия распада основного состояния алюминия-20 оказывается заметно ниже ожидаемого, если опираться на изоспиновую симметрию. Данный факт свидетельствует о потенциальном нарушении изоспиновой симметрии как в алюминии-20, так и в его зеркальном партнёре, неоне-20.
Современные теоретические расчёты подтверждают это открытие, демонстрируя, что спиновая чётность основного состояния алюминия-20 отличается от спиновой чётности основного состояния неона-20. По словам Сю, «эта работа позволяет понять структуру и распад ядер, выходящих за пределы протонной границы.
На данный момент ученые идентифицировали свыше 3300 нуклидов, однако только менее 300 из них являются стабильными и встречаются в природе. Все остальные нуклиды нестабильны и подвержены радиоактивному распаду. К середине XX века были обнаружены известные типы распадов, включая α-распад и, β —распад, β+распад, электронный захват, γ-излучение и деление ядра.
За последние десятилетия прогресс в экспериментальных установках и технологиях обнаружения в ядерной физике позволил исследователям выявить несколько необычных способов распада нестабильных ядер, в особенности ядер с дефицитом нейтронов.
В 1970-х годах было сделано открытие однопротонной радиоактивности, характеризующейся распадом ядер с испусканием протона. В начале XXI века, при распаде ядер с минимальным содержанием нейтронов, зафиксировали двухпротонную радиоактивность. В последнее время наблюдаются ещё более редкие виды распада, включающие испускание трёх, четырёх и пяти протонов.
[Фото: XU Xiaodong / Chinese Academy of Sciences]