Испытан метод получения атомов сверхтяжелого водорода-6 из лития: зачем это нужно

Ядра большинства атомов водорода содержат один протон. В дейтерии к протону добавляется нейтрон, в тритии — два нейтрона. Однако в ускорителях ученым удается получать сверхтяжелый водород с пятью и даже шестью нейтронами на один протон.Основная масса водорода во Вселенной представлена протием. Небольшое количество приходится на дейтерий. В звездах в ходе термоядерных реакций образуется тритий. Однако и в звездах, и в ускорителях заряженных частиц возможно получить еще более тяжелый водород. Правда, в количестве единичных короткоживущих атомов. Источник: https://ru.dreamstime.com/

Впервые в эксперименте по рассеянию электронов был получен и подтвержден изотоп водорода ⁶H с максимальным содержанием нейтронов. Результат показывает более сильное, чем ожидалось, взаимодействие между нейтронами внутри обогащенного ядра.

Группа A1 из Института ядерной физики Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце совместно с учеными из Китая и Японии впервые успешно синтезировала один из самых богатых нейтронами изотопов — водород-6 — в эксперименте по рассеянию электронов. Синтез, проведенный на Майнцском Микротроне (компактном ускорителе заряженных частиц), представляет собой новый метод исследования богатых нейтронами легких ядер. Авторы исследования отмечают, что измерение могло быть проведено только благодаря уникальному сочетанию превосходного качества электронного луча ускорителя и трех спектрометров с высоким разрешением. Отчет о работе был опубликован в Physical Review Letters.

Эксперимент ставит вопрос о гипотетических пределах ядерной структуры в системах с высоким содержанием нейтронов. Один из самых фундаментальных вопросов ядерной физики — сколько нейтронов может быть связано в атомном ядре с заданным количеством протонов. Для основного изотопа водорода, ядро которого содержит только один протон, было обнаружено несколько изотопов с большим количеством нейтронов — от ⁴H до ⁷H. Дейтерий и тритий с одним и двумя нейтронами соответственно здесь не учитываются. Изотопы чрезвычайно тяжелого водорода ⁶H, состоящие из одного протона и пяти нейтронов, и ⁷H, состоящие из одного протона и шести нейтронов, имеют самое высокое соотношение нейтронов и протонов из всех известных на данный момент атомных ядер. Они являются уникальными системами для изучения «предельности» нейтронов. Однако экспериментальных данных об этих экзотических ядрах мало, и результаты остаются спорными. В частности, уже давно ведутся дискуссии о том, какой следует считать энергию основного состояния ⁶H — низкой или высокой.

Совместно с китайскими и японскими учеными лаборатория A1 разработала новый метод получения ⁶H. В этом методе пучок электронов с энергией 855 МэВ воздействует на мишень из ⁷Li, образуя ⁶H в результате двухэтапного процесса: сначала протон в ядре лития резонирует при взаимодействии с электроном и быстро распадается на нейтрон и положительно заряженный пион. Если этот нейтрон впоследствии передаст свою энергию другому протону внутри ядра, он может образовать обогащенный нейтронами изотоп водорода ⁶H вместе с остаточным ядром, в то время как пион и протон покинут ядро и могут быть обнаружены одновременно с рассеянным электроном с помощью трех магнитных спектрометров.

Такое взаимодействие даже в ускорителе случается редко. Чтобы повысить вероятность этого процесса, электронный луч проходил по литиевой пластине длиной 45 миллиметров и толщиной 0,75 миллиметра вдоль стороны длиной 45 миллиметров. Это нестандартная методика, поскольку в экспериментах по рассеянию электронов обычно используются очень тонкие мишени перпендикулярные оси пучка.

Продольное облучение литиевой пластины стало возможным благодаря чрезвычайно сфокусированному и стабильному электронному пучку микротрона. Дополнительной проблемой оказался сам литий — химически крайне активный, механически хрупкий и чувствительный к температуре металл. Однако и с этой проблемой ученым удалось справиться.

В ходе четырехнедельных измерений наблюдалось примерно одно событие в день. Это был один из редких экспериментов в MAMI, в котором все три спектрометра высокого разрешения в экспериментальном зале A1 работали в синхронном режиме, чтобы можно было одновременно регистрировать три частицы. Это позволило достичь беспрецедентного уровня точности при сохранении низкого уровня внешнего радиоактивного фона.

Новое измерение дало четкий сигнал ⁶H с очень низкой энергией основного состояния, что указывает на более сильное взаимодействие между нейтронами в 6H, чем ожидалось по итогам теоретических расчетов. Таким образом, поставлена под сомнение общепринятая трактовка многонуклонных взаимодействий в ядрах со значительным превышением числа нейтронов над числом протонов.

Недавно ученые обнаружили в нашей галактике гигантское облако молекулярного водорода, видимое в дальнем ультрафиолете.