Первый физический результат HIAF: 10 ионов гафния-153 у предела существования ядер

Почему важен гафний-153

Гафний-153 относится к области тяжёлых ядер, испытывающих острый дефицит нейтронов. В таких системах баланс между протонами и нейтронами становится особенно хрупким: ядро может оказаться связанным, слабо связанным или быстро распасться.

Подтверждение существования ^153Hf и измерение его массы добавляют новую экспериментальную точку для проверки моделей ядерных масс и изучения изменения структуры ядра по мере приближения к пределу стабильности. Измерения показывают, что гафний-153 является связанным или слабосвязанным нуклидом, что согласуется с предсказаниями нескольких теоретических моделей.

Это не закрывает все вопросы о необычном изотопе, но даёт физикам важную проверку расчётов, которые применяются к ядрам, слишком редким или нестабильным для прямого наблюдения в обычных условиях.

Как получили и распознали 10 ионов

Эксперимент начался с пучка висмута-209. В ускорительном кольце HIAF его разогнали до энергии 836,66 МэВ на нуклон, после чего направили на графитовую мишень. При столкновении произошла фрагментация исходных ядер — реакция, в результате которой образовалась смесь радиоактивных нуклидов.

Далее продукты реакции нужно было отделить от значительно более распространённых частиц. Высокоэнергетическая линия радиоактивных пучков HIRIBL отфильтровала и доставила их в накопительно-спектрометрическое кольцо SRing. Детекторы времени пролёта помогли быстро различить возможных кандидатов, а изохронная масс-спектрометрия позволила с высокой точностью определить их массу и идентифицировать ^153Hf. Всего команда зафиксировала 10 ионов этого изотопа.

Главная сложность заключалась не только в создании гафния-153, но и в его распознавании среди множества других продуктов реакции. Оценённое сечение образования изотопа находилось на уровне пикобарн — это означает, что он возникает исключительно редко. Для надёжной регистрации потребовалась совместная работа интенсивного первичного пучка, точной системы разделения фрагментов и масс-спектрометра, чувствительного к отдельным ионам.

Независимое наблюдение в Японии

Почти одновременно гафний-153 зарегистрировали исследователи японского института RIKEN на установке RIBF — Фабрике радиоактивных изотопных пучков. Независимое наблюдение особенно важно, когда речь идёт всего о нескольких обнаруженных ионах: совпадение двух экспериментов укрепляет идентификацию изотопа и снижает неопределённость результата.

Теперь у физиков есть более надёжная основа для сравнения свойств гафния-153 с предсказаниями ядерных теорий.

Что эксперимент показал о возможностях HIAF

Результат с гафнием-153 стал не финальной целью проекта, а ранней демонстрацией возможностей нового комплекса. Он показал, что ускоритель, линия транспортировки радиоактивного пучка, система разделения фрагментов и высокоточный спектрометр могут работать как единая установка для изучения крайне редких и короткоживущих ядер.

По мере повышения интенсивности пучка и эффективности экспериментов измерительные возможности HIAF, как ожидается, вырастут примерно на два порядка. Это может открыть путь к обнаружению новых изотопов, более строгой проверке моделей ядерных масс и исследованию свойств ядер при всё более сильном дисбалансе между числом протонов и нейтронов.

Таким образом, гафний-153 важен сразу по двум причинам. Это не только исключительно трудный для получения и идентификации изотоп, но и практическое подтверждение того, что HIAF уже способен исследовать малоизученные границы ядерного мира.