Лазерные импульсы помогли раскрыть внутреннюю структуру самых тяжелых и недолговечных атомов во Вселенной

Некоторые из самых тяжелых атомов во Вселенной существуют настолько недолго, что их едва успевают изучить, однако ученым впервые удалось нанести на карту их внутреннюю структуру до того, как они исчезнут. Используя тщательно настроенные лазерные импульсы, направленные на атомы, исследователь из Гётеборгского университета показала, что ядра нептуния и фермия — радиоактивных элементов из ряда актиноидов периодической таблицы — не идеально круглые, а вытянутые, напоминающие по форме мяч для регби.

Это может показаться незначительной деталью, но форма ядра влияет на то, как атомы ведут себя, как они распадаются и как могут формироваться новые элементы. На протяжении десятилетий подобные измерения были недоступны, потому что такие элементы производятся в крошечных количествах и распадаются в течение нескольких секунд. Митци Уркиса, исследовательница, которая провела эксперимент с лазерными импульсами в рамках своей диссертационной работы в Гётеборгском университете, пояснила, что эти элементы трудно изучать, поскольку они нестабильны и существуют в чрезвычайно малых количествах в течение очень короткого времени. В своей работе Уркиса описала практический способ детального изучения таких элементов, что открывает новое окно в нестабильную область периодической таблицы, где самые тяжелые элементы существуют лишь мгновение перед тем, как распасться.

Главным препятствием в изучении тяжелых актиноидов, таких как нептуний, является их эфемерное существование. Эти атомы создаются в ускорителях в чрезвычайно малых количествах и часто живут всего несколько секунд. Традиционные методы требуют более стабильных образцов и более длительного времени наблюдения, что для этих элементов просто невозможно. Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи разработали специализированную лазерную систему, построенную на основе оптического параметрического генератора (ОПГ). Эта система способна генерировать очень точные длины волн света, которые обычные лазеры производят с трудом, особенно в ультрафиолетовом диапазоне, где многие тяжелые элементы дают наилучший отклик. Более того, установка сочетает в себе высокостабильный непрерывный лазер с импульсным усилением, что позволяет доставлять одновременно очень точный и высокоэнергетический свет. Исследователи отмечают, что их подход обеспечивает узкополосные высокоэнергетические импульсы с оптической шириной линии порядка 100 МГц, покрывая спектральные пробелы, часто недоступные для традиционных титан-сапфировых и красительных лазеров.

Когда эти лазерные импульсы направляются на атомы, электроны внутри них поглощают определенное количество энергии и перескакивают между энергетическими уровнями. Поскольку ядро не является точечным зарядом, а обладает конечным объемом и формой, эти взаимодействия можно наблюдать через небольшие сдвиги в энергии атомного перехода, известные как сверхтонкая структура. Измеряя эти крошечные эффекты с высокой точностью, ученые могут извлечь информацию о ядре, включая его размер, магнитные и электрические свойства, а также форму.

Сила этого подхода заключается в сочетании точности и высокой мощности. Лазер на основе ОПГ производит узкие высокоэнергетические импульсы, которые могут зондировать атомы в течение их короткого времени жизни, все еще разрешая очень тонкие детали их энергетической структуры. Эксперименты были проведены на нескольких передовых европейских установках, каждая из которых оснащена уникальными инструментами, необходимыми для производства, изоляции и измерения этих редких атомов. Комбинируя данные из разных конфигураций, исследователи смогли создать первое высококачественное описание ядер фермия и нептуния, раскрыв их вытянутую форму, напоминающую регбийный мяч. Результаты демонстрируют, что лазерные системы на основе ОПГ предлагают универсальное и эффективное решение для распространения высокоточных спектроскопических методов на новые области ядерной карты.

Понимание формы атомных ядер необходимо для проверки и улучшения моделей ядерной физики. Эти модели используются для предсказания поведения элементов, особенно тех, которые еще не открыты. Новые измерения предоставляют ценные данные, которые могут уточнить эти теории и помочь ученым исследовать, насколько далеко может простираться периодическая таблица. Исследователи утверждают, что точные измерения этих параметров необходимы для проверки современных теоретических моделей и изучения пределов существования ядер. Существуют и практические применения: нептуний является частью ядерного топливного цикла, поэтому лучшее знание его свойств может способствовать более эффективному управлению ядерными отходами. Кроме того, в более долгосрочной перспективе данные, полученные в результате исследований актиноидов, могут поддержать производство радиоизотопов, используемых в медицинских методах лечения, таких как терапия рака. Следующим шагом станет дальнейшее совершенствование лазерной технологии, расширение диапазона длин волн и повышение стабильности, чтобы можно было исследовать более экзотические ядра.