Новый китайский ускоритель тяжёлых ионов впервые обнаружил крайне редкий изотоп гафния-153
Спустя всего десять дней после начала первых испытаний новый китайский комплекс High Intensity Heavy-ion Accelerator Facility (HIAF) принёс свой первый научный результат. Китайская академия наук сообщила, что международная группа исследователей впервые с помощью установки зарегистрировала чрезвычайно редкий изотоп гафний-153, подтвердив возможности нового ускорительного комплекса для поиска ранее практически недоступных атомных ядер.
По словам исследователей, обнаружение гафния-153 стало первым физическим результатом, полученным после ввода комплекса в эксплуатацию. Достижение демонстрирует способность HIAF исследовать границы существования атомных ядер и расширять так называемый «ядерный ландшафт» — совокупность известных изотопов химических элементов.
Работу выполнила международная научная группа под руководством специалистов Государственной ключевой лаборатории науки и технологий тяжёлых ионов Института современной физики Китайской академии наук. Учёные отмечают, что поиск неизвестных ранее изотопов и определение пределов существования атомных ядер являются одним из важнейших направлений современной ядерной физики.
Комплекс HIAF расположен в городе Хуэйчжоу провинции Гуандун на юге Китая. Это ускоритель тяжёлых ионов нового поколения мирового класса, созданный специально для проведения исследований в области физики атомного ядра при сверхвысоких энергиях.
Для поиска редкого изотопа гафния-153 исследователи использовали ускорительное кольцо Booster Ring (BRing), которое разогнало пучок ядер висмута-209 и направило его на графитовую мишень. В результате столкновений высокой энергии происходили реакции фрагментации налетающего ядра, при которых образовывались различные радиоактивные ядра.
Затем образовавшиеся частицы были очищены и транспортированы по высокожёсткой линии радиоактивных ионных пучков HIRIBL. После этого пучок поступал в накопительное кольцо-спектрометр SRing, где учёные выполнили высокоточные измерения методом изохронной масс-спектрометрии.
Хотя вероятность образования гафния-153 оказалась чрезвычайно низкой, эксперимент завершился успешно. Исследователи смогли зарегистрировать спектральные сигнатуры десяти ионов гафния-153, что подтвердило существование этого крайне редкого изотопа.
Особую ценность результату придаёт то, что наблюдение было независимо подтверждено в Японии. Специалисты комплекса Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF), работающего в исследовательском центре RIKEN, также сообщили об обнаружении гафния-153. По мнению авторов работы, независимое подтверждение значительно повышает достоверность открытия и подчёркивает важность этого изотопа для исследований в области ядерной физики.
Полученные данные свидетельствуют о том, что гафний-153 представляет собой либо связанное, либо слабо связанное атомное ядро. Это полностью соответствует прогнозам существующих моделей ядерных масс, построенных ещё до проведения эксперимента.
Учёные отмечают, что новый изотоп расположен в области тяжёлых ядер с дефицитом нейтронов, поэтому его обнаружение предоставляет уникальную возможность изучить эволюцию структуры атомных ядер и лучше понять пределы их устойчивости.
По словам исследователей, наблюдение и высокоточное измерение характеристик гафния-153 обеспечивают критически важные экспериментальные данные, необходимые для проверки современных моделей атомного ядра и дальнейшего развития представлений о его строении.
Помимо научной ценности самого открытия, эксперимент продемонстрировал высокие технические возможности нового комплекса HIAF уже в первые дни его работы. Высокоинтенсивные пучки тяжёлых ионов позволили увеличить вероятность получения редких изотопов, высокопроизводительная линия транспортировки обеспечила эффективное отделение нужных ядер от остальных продуктов реакции, а применение изохронной масс-спектрометрии в накопительном кольце SRing обеспечило чувствительность на уровне отдельных ионов, необходимую для точной идентификации столь редких атомных ядер.
В дальнейшем исследователи рассчитывают увеличить интенсивность пучков и повысить эффективность экспериментов, что позволит использовать HIAF для открытия новых неизвестных изотопов и исследования свойств атомных ядер в экстремальных условиях.
По мнению авторов работы, обнаружение гафния-153 стало важным шагом в изучении пределов существования атомных ядер и одновременно открыло новые возможности для фундаментальных исследований, которые будут проводиться на новом китайском ускорительном комплексе.
Исследование в журнале Science Bulletin.