Китайский ускоритель HIAF за 10 дней нашёл редкий изотоп гафния-153 после 40 лет ожидания

Всего 10 зарегистрированных ядер за 8240 запусков пучка — но это первое в истории надёжное наблюдение изотопа, который безуспешно пытались запечатлеть с 1980-х

Всего через 10 дней после начала пробных запусков нового китайского ускорительного комплекса HIAF (High Intensity heavy-ion Accelerator Facility) международная группа физиков зафиксировала первое событие, ради которого отчасти и был построен этот ускоритель: в спектрометрическом кольце SRing были пойманы 10 ядер изотопа гафний-153 (153Hf).

Этот нуклид с 72 протонами и 81 нейтроном долгое время значился в категории «предсказанных, но не открытых», а единственное предыдущее заявление о его наблюдении в 2000 году так и не было подтверждено рецензированной публикацией. Теперь этот пробел закрыт, причем одновременно двумя независимыми группами: параллельно с HIAF гафний-153 был зарегистрирован на японском установлении RIBF в институте RIKEN, что устраняет любые сомнения.

Экспериментальная схема использовала пучок ионов висмут-209, разогнанный в кольце ускорителя BRing до энергии 836,66 МэВ/нуклон при интенсивности около 1010 частиц за импульс. Пучок ударял в графитовую мишень, и среди множества осколков возникали ядра гафния-153 — с сечением реакции, оценённым задним числом примерно в пикобарн (10-36 см2). Это крайне малая вероятность: на каждую тысячу миллиардов столкновений в лучшем случае приходится 1 успешное событие. Выделить такие единичные ядра из потока шума позволила связка из двух инструментов: сепаратора HIRIBL (High-rigidity Radioactive Ion Beam Line) и накопительного кольца SRing, работающего в изохронном режиме. В этом режиме время оборота иона вокруг кольца зависит только от его массы, а не от скорости, что позволяет разделять изотопы с точностью до одной десятитысячной доли процента — соседние по массе ядра расходятся в спектре на десятки стандартных отклонений и не накладываются друг на друга.

Главная техническая инновация, сделавшая открытие возможным, — принцип нулевого фона. В отличие от классических однопроходных сепараторов, где идентификация редкого события требует сложных тестов на статистическую значимость и всё равно оставляет риск ложного срабатывания, SRing регистрирует каждый ион десятки раз за оборот. Чтобы быть засчитанным как реальное ядро, событие должно оставить периодическую последовательность сигналов длительностью не менее 100 микросекунд — больше 80 полных витков по 277-метровому кольцу. Никакой шум, наводка или случайное наложение сигналов не могут сымитировать такую картину.

В результате одиночный пик на отметке 1159,348 наносекунды, совпавший с расчётным положением для полностью потерявшего все электроны иона гафния-153, был идентифицирован однозначно — без статистических оговорок и вероятностных оценок.

Почему этот изотоп так важен для физики, объясняется его положением на ядерной карте. Гафний-153 находится на стороне, где недостаток нейтронов — в нём на один нейтрон меньше, чем требуется для заполнения «магического числа 82», своеобразной «особо прочной оболочки» атомного ядра. Ровно такой же недостаток в одно нейтронное отверстие делает его идеальным зондом для измерения устойчивости этой оболочки в области тяжёлых элементов с большим избытком протонов. Теоретические модели — от макроскопических FRDM и WS до микроскопических HFB и релятивистских DRHBc — сходятся в том, что ядро должно быть либо стабильным относительно испускания протона, либо очень слабым излучателем, и сам факт того, что 10 ядер дошли до детектора, подтверждает этот прогноз.

Масса гафния-153, которую измерят в ближайшее время на том же SRing, станет первой экспериментальной точкой для прямого вычисления величины щели N=82 на протоноизбыточном краю — параметра, исключительно важного для понимания того, как удерживаются вместе тяжёлые ядра.

Авторы подчёркивают, что установка работала на считанные проценты от проектной мощности. Интенсивность первичного пучка составляла около 10% от предельной, частота импульсов — 0,3 Гц вместо доступных 3 Гц, а светосила сепаратора перекрывала апертуру кольца более чем на порядок. Когда HIAF достигнет полной производительности, чувствительность к редким изотопам вырастет в сотни раз, а значит, карта нуклидов начнёт пополняться десятками новых квадратов в самой труднодоступной области — на подходе к протонной границе существования ядер. Это не расширение таблицы Менделеева для экзотических атомов, а последовательное зондирование предела, за которым ядерные силы уже не способны удерживать протоны и нейтроны вместе.