Исследователи из группы сотрудничества А1 Института ядерной физики Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга (JGU) в сотрудничестве с учеными из Китая и Японии впервые успешно использовали рассеяние электронов для получения водорода-6, одного из наиболее богатых нейтронами изотопов. Эксперимент, проведенный на спектрометре Майнцского микроускорителя (MAMI), обеспечивает новый метод изучения легких ядер, богатых нейтронами.Эти результаты дают новое понимание и ставят серьезные проблемы перед существующими моделями многонуклонных взаимодействий.

«Это измерение стало возможным благодаря уникальному сочетанию превосходного качества электронного луча МАМИ и трех спектрометров высокого разрешения коллаборации А1», — подчеркивает профессор Йозеф Походзалла из Института ядерной физики Университета Гуггенхайма в Японии. В эксперименте приняли участие исследователи из Университета Фудань в Шанхае, Китай, Университета Тохоку в Сендае и Токийского университета в Японии.

Экспериментальную работу возглавил докторант Шао Тяньхао, и она была опубликована в журнале Physical Review Letters.

Ядерные структурные ограничения чрезвычайно богатых нейтронами систем

Один из самых фундаментальных вопросов ядерной физики — сколько нейтронов можно объединить в атомном ядре и каково количество протонов. Для основного изотопа водорода, который содержит только один протон, помимо знакомых дейтронов и ядер трития, также наблюдался ряд нейтронно-богатых изотопов в диапазоне от ⁴H до ⁷H.

Для обнаружения ⁶H используется установка из трех спектрометров высокого разрешения в экспериментальном зале А1. Фото предоставлено: Рёко Кино, Йозеф Походзалла

Чрезвычайно тяжелые изотопы водорода ⁶H (состоящие из одного протона и пяти нейтронов) и ⁷H (еще одного нейтрона) имеют самые высокие известные на сегодняшний день отношения нейтронов к протонам. Они представляют собой уникальную систему, которая отвечает на этот вопрос. Однако экспериментальные данные об этих экзотических ядрах скудны, и результаты остаются противоречивыми. В частности, возникли разногласия по поводу того, высока или низка энергия основного состояния ⁶H.

Коллаборация А1, работающая с учёными из Китая и Японии, разработала новый метод получения ⁶H. В этом методе электронный луч с энергией 855 мегаэлектронвольт (МэВ) поражает мишень ⁷Li, производя ⁶H в ходе двухэтапного процесса: во-первых, протоны в ядре лития резонансно возбуждаются из-за их взаимодействия с электронами и быстро распадаются на нейтроны и положительно заряженные пионы.

Если нейтрон затем передает энергию другому протону в ядре, он может присоединиться к оставшемуся ядру, образуя богатый нейтронами изотоп водорода ⁶H. Пионы и протоны покидают ядро ​​и могут быть зарегистрированы одновременно с рассеянными электронами тремя магнитными спектрометрами. Чтобы достичь достаточной производительности для этого редкого процесса, электронный луч проходит через литиевую пластину длиной 45 мм и толщиной 0,75 мм с одной стороны. Это происходит очень редко, поскольку в экспериментах по рассеянию электронов обычно используются очень тонкие вдоль оси луча мишени, что позволяет электронному лучу попадать на широкую поверхность, перпендикулярную направлению его распространения.

Эта конкретная установка выигрывает от превосходного качества луча MAMI, особенно от его высоко сфокусированного и стабильного электронного луча. Еще одна проблема — обращение с самим литием, поскольку этот материал чрезвычайно химически активен, механически хрупок и чувствителен к температуре.

В течение четырехнедельной кампании по измерению, как и ожидалось, в день наблюдалось примерно одно событие. В одном из редких экспериментов МАМИ три спектрометра высокого разрешения в экспериментальном зале А1 работают одновременно в режиме совпадений, что позволяет одновременно зарегистрировать три частицы. Это сложное устройство обеспечивает беспрецедентную точность при чрезвычайно низком уровне фонового шума.

Новые измерения дают четкий сигнал ⁶H, который имеет чрезвычайно низкую энергию основного состояния, что указывает на то, что взаимодействие между нейтронами в 6H сильнее, чем ожидалось из недавних теоретических расчетов. Этот результат бросает вызов нашему пониманию многонуклонных взаимодействий в системах с чрезвычайно высоким содержанием нейтронов.

Составлено из /ScitechDaily