Международная группа исследователей под руководством специалистов Центра исследований редких изотопов (FRIB) при Мичиганском университете выяснила природу образования элементов в звездах. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Когда возбужденное атомное ядро возвращается в более стабильное состояние, оно испускает гамма-излучение. Изучая интенсивность таких гамма-лучей, физики могут понять, что происходит внутри ядра.
С конца XX века ученые регулярно наблюдали странное явление — некоторые ядра испускали неожиданно большое количество низкоэнергетических гамма-квантов. Такое явление получило название низкоэнергетического усиления (Low-Energy Enhancement, LEE). Существующие теории не могли объяснить его происхождение. По словам ведущего автора исследования Элеоноры Роннинг, первое обнаружение этого эффекта стало настоящим потрясением для научного сообщества, поскольку ни одна модель не предсказывала его существование.
Исследователи сосредоточились на изучении изотопа цинка-70, ядро которого давно считалось одним из наиболее перспективных объектов для поиска причины LEE. Команда изучила бета-распад двух различных состояний изотопа меди-70, которые приводят к образованию одного и того же ядра цинка-70. Для этого ученые использовали уникальные возможности установки FRIB и масс-спектрометра LEBIT, позволяющего получать исключительно чистые пучки редких изотопов. После регистрации гамма-излучения детектором SuN исследователи сравнили два независимых набора данных и пришли к однозначному выводу: низкоэнергетическое усиление вызывают магнитные переходы внутри атомного ядра.
По словам одного из руководителей исследования Андреа Ричард из университета Огайо, теперь экспериментальные данные и теоретические модели наконец удалось объединить в единую картину. На первый взгляд открытие касается исключительно устройства атомных ядер. Однако его последствия выходят далеко за пределы лабораторий. Во время взрывов сверхновых и слияний нейтронных звезд происходят реакции захвата нейтронов, в результате которых рождаются тяжелые химические элементы.
Если низкоэнергетическое усиление действительно увеличивает вероятность таких реакций, то существующие модели звездной эволюции необходимо скорректировать. Это позволит точнее рассчитывать процессы образования элементов во Вселенной и лучше понимать происхождение вещества, из которого состоят планеты, включая Землю. Кроме того, результаты исследования могут использоваться при моделировании ядерных реакций, развитии атомной энергетики и решении прикладных задач национальной безопасности.
Работа объединила ученых из 25 научных организаций США, Канады, Германии, Италии, Норвегии и Южной Кореи. По словам профессора Артемис Спиру из FRIB, исследовательская группа более десяти лет разрабатывала экспериментальные методы, которые позволили выделить слабый сигнал низкоэнергетического усиления на фоне шумов. Полученные результаты станут ориентиром для будущих исследований других атомных ядер и помогут определить, какие из них обладают аналогичными магнитными свойствами.