Китайский ускоритель HIAF за 10 дней поймал изотоп гафний-153, который искали 40 лет
Китайский ускорительный комплекс HIAF (High Intensity heavy-ion Accelerator Facility) совершил значимое научное открытие уже через 10 дней после начала пробных пусков. Международная группа физиков зафиксировала 10 ядер изотопа гафний-153 — нуклида, который десятилетиями числился в списке предсказанных, но не открытых. Событие произошло в спектрометрическом кольце SRing.
Гафний-153 содержит 72 протона и 81 нейтрон, что делает его нейтронодефицитным изотопом. Единственная предыдущая заявка на его наблюдение в 2000 году так и не была подтверждена рецензированной публикацией. Теперь пробел закрыт, причём одновременно двумя независимыми группами: параллельно с HIAF изотоп зарегистрировали на японской установке RIBF в институте RIKEN.
В эксперименте использовался пучок ионов висмут-209, разогнанный в кольце BRing до энергии 836,66 МэВ/нуклон при интенсивности около 10^10 частиц за импульс. Пучок сталкивался с графитовой мишенью, и среди множества осколков рождались ядра гафния-153 с сечением реакции, оценённым примерно в пикобарн — экстремально малая вероятность, когда на тысячу миллиардов столкновений приходится не более одного успешного события.
Выделить единичные ядра позволила связка из сепаратора HIRIBL и накопительного кольца SRing, работающего в изохронном режиме. Принцип нулевого фона обеспечивает идентификацию: каждый ион регистрируется десятки раз за оборот, и событие засчитывается только при периодической последовательности сигналов длительностью более 100 микросекунд — это свыше 80 полных витков по 277-метровому кольцу. Одиночный пик на отметке 1159,348 наносекунды совпал с расчётным положением для полностью ионизированного иона гафния-153, что исключает случайные наложения.
Значимость открытия связана с положением изотопа на ядерной карте. Гафний-153 находится на нейтронодефицитной стороне, имея на один нейтрон меньше, чем требуется для заполнения магического числа 82 — особо прочной оболочки ядра. Это делает его идеальным зондом для проверки устойчивости оболочки в области тяжёлых элементов с большим избытком протонов. Теоретические модели предсказывали, что ядро должно быть либо стабильным относительно испускания протона, либо очень слабым излучателем; сам факт регистрации 10 ядер подтверждает этот прогноз.
В ближайшее время масса гафния-153 будет измерена на том же SRing. Это даст первую экспериментальную точку для вычисления величины щели N=82 на протоноизбыточном краю, важного для понимания прочности связи тяжёлых ядер. Авторы подчёркивают, что установка работала лишь на несколько процентов от проектной мощности: интенсивность пучка составляла около 10% от предельной, частота импульсов — 0,3 Гц вместо доступных 3 Гц. Когда HIAF выйдет на полную мощность, чувствительность к редким изотопам возрастёт в сотни раз, что позволит карте нуклидов пополниться десятками новых элементов в труднодоступной области у границы существования ядер.
