Гамма-спектрометр GRETINA, установленный в Университете штата Мичиган, измерял уровни энергии в экзотических ядрах.
Предоставлено: Шумпей Нодзи, Объект для пучков редких изотопов

Атомное ядро принимает дискретные энергетические уровни, когда добавленная энергия возбуждает это ядро. Эти энергетические уровни являются уникальным отпечатком ядра; никакие два ядра не имеют одинаковых энергетических характеристик. Для экзотических ядер, которые имеют несбалансированное количество протонов и нейтронов и часто существуют только доли секунды, исследователи разработали множество методов для измерения энергий их возбужденных уровней.

Исследователи недавно обнаружили необычные уровни, которые образовались, когда луч кальция-38, движущийся со скоростью 30 процентов от скорости света, столкнулся с мишенью из бериллия-9. Ядра кальция-38 потеряли значительное количество энергии при столкновении.

Исследователи проследили образование необычных возбужденных уровней в кальции-38 до одновременного возбуждения нескольких протонов и нейтронов. Энергии таких сложных состояний являются чувствительными зондами для ядерной теории. Их трудно наблюдать в реакциях, обычно проводимых при высоких энергиях пучка на ускорителях частиц.

Таким образом, такие реакции диссипативного рассеяния являются новым инструментом в арсенале исследователей-ядерщиков, изучающих и моделирующих ядра. В будущем исследователи могут использовать такие реакции для изучения необычных энергетических уровней во многих других короткоживущих ядрах, чтобы исследовать ядерную теорию, например, в Центре пучков редких изотопов.

Исследователи обнаружили новый путь, ведущий к образованию сложных возбужденных состояний в редких изотопах. Они провели эксперимент в Национальной сверхпроводящей циклотронной лаборатории, ускорителе частиц на базе циклотрона в Университете штата Мичиган, ранее работавшем в качестве пользовательского объекта Национального научного фонда. Эти возбужденные состояния, по-видимому, связаны с перегруппировкой множества нуклонов, образовавшихся в результате одного высокоэнергетического столкновения снаряда с целью.

Энергии таких состояний являются чувствительными эталонами для расчетов оболочечных моделей, охватывающих большие модельные пространства. Для редкого изотопа кальция-38 исследователи наблюдали заселение таких энергетических уровней с помощью гамма-спектроскопии в пучке с помощью GRETINA.

Это последовало после неупругого рассеяния, при котором входящий пучок кальция-38 взаимодействовал с мишенью из бериллия-9 со скоростью более 30% скорости света. Входящий пучок кальция-38 неожиданно потерял более 200 миллионов электронвольт энергии. Эти контрольные состояния сложной структуры ранее были недостижимы в экспериментах с быстрым пучком, обычно с высокой светимостью, без таких больших потерь энергии. Чаще всего они ускользают от наблюдения в низкоэнергетических реакциях, требующих гораздо более высоких интенсивностей пучка.

Эта работа была выполнена совместными усилиями экспериментаторов и теоретиков из Мичиганского государственного университета, Вашингтонского университета в Сент-Луисе, Аргоннской национальной лаборатории и Университета Суррея в Соединенном Королевстве. Соответствующее исследование было опубликовано в журналах Physical Review Letters и Physical Review C.