O ile zwykle wzbudzone jądra rozpadają się niemal natychmiast, tak w przypadku izomerów energia zostaje uwięziona w jądrze na znacznie dłużej. W efekcie naukowcy mogą badać szczegóły jego struktury i wewnętrznych konfiguracji cząstek. W nowym eksperymencie jego autorzy skupili się na wspomnianym izotopie iterbu należącego do grupy metali ziem rzadkich i posiadające wiele izotopów, które są szczególnie interesujące dla fizyki jądrowej. Dlaczego? Bo pozwalają badać zachowanie protonów i neutronów w ekstremalnych konfiguracjach.
Czytaj też: Najdokładniejszy pomiar rozmiarów protonu w historii. Niemieccy fizycy potwierdzają Model Standardowy
Celem badań było sprawdzenie, czy w tym izotopie istnieje szczególny typ izomeru o spinie 10+. Takie stany tworzą w tabeli nuklidów tzw. łańcuch izomeryczny, obejmujący kilkanaście różnych jąder atomowych. Naukowcy od ponad czterech dekad zastanawiali się, czy łańcuch ten rozciąga się jeszcze dalej w kierunku skrajnie niestabilnych jąder bogatych w protony.
Aby to sprawdzić, zespół przeprowadził eksperyment w laboratorium akceleratorowym Uniwersytetu w Jyväskylä w Finlandii. Wykorzystano tam zaawansowaną aparaturę do produkcji i identyfikacji bardzo krótkotrwałych jąder atomowych. Powstające w zderzeniach cząstek jądra iterbu były kierowane do specjalnego układu detektorów, gdzie rejestrowano opóźnione promieniowanie gamma – charakterystyczny sygnał rozpadu stanów izomerycznych.
Izomery jądrowe w centrum zainteresowania fizyków
Analiza danych potwierdziła istnienie długo poszukiwanego izomeru 10+ w jądrze ^150Yb. Badaczom udało się także zmierzyć jego czas życia, który wynosi około 0,62 mikrosekundy, oraz odtworzyć pełny schemat jego rozpadu energetycznego. Choć taka wartość może wydawać się bardzo krótka, w fizyce jądrowej jest to stosunkowo długi czas dla stanu wzbudzonego.
Jeszcze ciekawsze okazały się wnioski teoretyczne wynikające z pomiarów. Analizy wskazują na istnienie mechanizmu nazwanego przez badaczy izomeryczną sztafetą, w ramach której konfiguracja cząstek w jądrze zmienia się wraz z liczbą protonów. W pewnym zakresie jąder izomeryczny stan 10+ jest tworzony głównie przez dwa neutrony, natomiast w innych – przez dwa protony. Ta zmiana konfiguracji pozwala całemu łańcuchowi izomerów przeskoczyć w stronę bardziej egzotycznych, niestabilnych jąder znajdujących się blisko tzw. granicy stabilności protonowej.
Czytaj też: Fizyk proponuje rewolucyjną teorię. Piąty wymiar wyjaśnia kwanty i grawitację
Tego typu eksperymenty pomagają fizykom zrozumieć, jak protony i neutrony układają się w jądrze oraz jakie konfiguracje są energetycznie stabilne. Wiedza ta ma znaczenie nie tylko dla fizyki podstawowej, lecz również dla badań procesów zachodzących w gwiazdach i eksplozjach supernowych, gdzie powstają ciężkie pierwiastki.
Źródło: Physical Review Letters
