Ученые наконец-то выяснили причину загадочного избытка низкоэнергетических гамма-лучей, испускаемых ядром цинка-70.
Гамма-лучи относятся к той же категории электромагнитного излучения, что и видимый свет или радиоволны. Когда возбужденное атомное ядро переходит в более стабильное энергетическое состояние, оно может высвобождать энергию в виде гамма-излучения. Ученые измеряют частоту испускания гамма-лучей разных энергий с помощью величины, которая называется функцией силы гамма-излучения.
На протяжении десятилетий по ряду ядер физики наблюдали странную картину: число гамма‑лучей малой энергии почему‑то оказывалось выше, чем предсказывает теория. Этот эффект получил название «низкоэнергетическое усиление» (low-energy enhancement, LEE). Но было непонятно, за счет каких именно переходов он возникает — и почему.
«Низкоэнергетическое усиление не предсказывалось теоретическими расчетами, поэтому его первое обнаружение стало шоком для научного сообщества, — рассказывает ведущий автор работы, научный сотрудник Центра исследований редких изотопов (FRIB) в США Элеанор Роннинг. — Трудно предсказать, где возникает LEE — мы не знаем, какие ядра его проявят».
Новые измерения предоставили убедительные доказательства, что за усиление отвечают именно магнитные переходы внутри ядра. Переходы между ядерными энергетическими состояниями описываются как электрические или магнитные — каждый тип отражает разные способы перестройки протонов и нейтронов перед тем, как они начнут испускать гамма-лучи.
Объяснение LEE важно не только для понимания внутренней структуры ядер, но и для астрофизики. Усиление может увеличивать частоту реакций захвата нейтронов сверх обычных предсказаний. Эти реакции играют центральную роль в создании тяжелых элементов во время экстремальных космических событий — взрывов сверхновых и слияний нейтронных звезд.
В своем исследовании ученые сфокусировались на цинке-70, изучая бета-распад его родительского ядра — меди-70 — в двух разных состояниях: основном и возбужденном изомерном. Эти два пути заполняли разные комбинации энергетических уровней в цинке-70, позволяя наблюдать его структуру с двух взаимодополняющих перспектив.
«Объединенная экспертиза наших научных команд сделала это возможным», — отметила Андреа Ричард, соавтор исследования из Университета Огайо. Результат дает физикам-теоретикам новый экспериментальный ориентир и позволит изученить LEE в других ядрах, что критически важно для моделирования образования элементов в астрофизических условиях.
