HIAF уперше зафіксував 10 іонів надрідкісного гафнію-153

Чому гафній-153 важливий

Гафній-153 належить до ділянки важких ядер із дефіцитом нейтронів. У таких системах баланс між протонами та нейтронами стає дедалі складнішим, а ядерне зв’язування — слабшим. До цього експерименту про спостереження ^153Hf не повідомляли. Його існування та вимірювання маси дають фізикам нову експериментальну точку для перевірки моделей ядерних мас і вивчення змін структури ядра поблизу межі стабільності.

Вимірювання показало, що ^153Hf є зв’язаним або слабкозв’язаним нуклідом. Це узгоджується з прогнозами кількох моделей ядерних мас. Така відповідність не відповідає на всі запитання про ізотоп, однак дає важливу перевірку теорій, які використовують для прогнозування ядер, надто рідкісних або поки недоступних для прямого спостереження.

Як отримали та розпізнали 10 іонів

Експеримент розпочали з пучка вісмуту-209, який у бустерному кільці HIAF прискорили до енергії 836,66 МеВ на нуклон. Після цього пучок спрямували на графітову мішень. Унаслідок реакцій фрагментації утворилася суміш радіоактивних ядер.

Далі цю суміш потрібно було відфільтрувати та виміряти. Лінія високое越нергетичного радіоактивного пучка HIRIBL відокремила продукти реакції й транспортувала їх до накопичувального та спектрометричного кільця SRing. Детектори часу прольоту допомогли розрізнити кандидатів, а ізохронна мас-спектрометрія дала змогу з необхідною точністю ідентифікувати гафній-153. Загалом команда зареєструвала 10 іонів ^153Hf.

Головна складність полягала не лише в тому, щоб створити гафній-153, а й у тому, щоб знайти його серед значно численніших продуктів реакції. Розрахований ефективний переріз утворення ізотопу мав порядок пікобарнів, тобто він виникав украй рідко. Для надійної ідентифікації потрібно було одночасно задіяти інтенсивний первинний пучок HIAF, високоточне відокремлення фрагментів і мас-спектрометрію, чутливу до окремих іонів.

Незалежне спостереження в Японії

Приблизно в той самий час дослідники японського Інституту фізико-хімічних досліджень RIKEN незалежно повідомили про спостереження ^153Hf на Фабриці пучків радіоактивних ізотопів (RIBF). Два незалежні результати взаємно підсилюють ідентифікацію ізотопу та зменшують невизначеність, неминучу, коли йдеться лише про кілька зареєстрованих іонів.

Таке підтвердження особливо важливе для ядер, які утворюються з надзвичайно низькою швидкістю. Узгоджені спостереження HIAF і RIBF дають ученим надійнішу основу для порівняння властивостей гафнію-153 з прогнозами ядерної теорії.

Що відкриття говорить про можливості HIAF

Виявлення гафнію-153 — це не фінал наукової програми HIAF, а рання демонстрація працездатності комплексу. Результат показав, що прискорювач, система транспорту радіоактивних пучків, відокремлення фрагментів і високоточне вимірювання маси можуть працювати як єдина система для дослідження рідкісних і короткоживучих ядер.

У міру підвищення інтенсивності пучка та ефективності експериментів дослідницькі можливості HIAF, як очікується, зростуть приблизно на два порядки. Це може відкрити шлях до пошуку нових ізотопів, суворіших перевірок моделей ядерних мас і вимірювання властивостей ядер за дедалі більшого дисбалансу між кількістю протонів і нейтронів.

Тому гафній-153 важливий одразу з двох причин: це нове й надзвичайно складне для отримання та ідентифікації ядро, а також практичне підтвердження того, що HIAF готовий досліджувати маловивчені кордони ядерного ландшафту.