Сотрудничество A1 в Институте ядерной физики Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU) совместно с учеными из Китая и Японии впервые успешно произвело один из наиболее богатых нейтронами изотопов, водород-6, в эксперименте по рассеянию электронов. Эксперимент на спектрометрической установке Майнцского ускорителя частиц Microtron (MAMI) представляет собой новый метод исследования легких ядер, богатых нейтронами, и бросает вызов нашему нынешнему пониманию многонуклонных взаимодействий. "Это измерение удалось провести только благодаря уникальному сочетанию превосходного качества электронного пучка MAMI и трех спектрометров высокого разрешения коллаборации A1", - подчеркнул профессор Йозеф Почодзалла из Института ядерной физики JGU. В эксперименте приняли участие исследователи из Университета Фудань в Шанхае в Китае, а также из Университета Тохоку в Сендае и Токийского университета в Японии. Экспериментальной работой руководил докторант Тяньхао Шао, и она была опубликована в Physical Review Letters.

Пределы ядерной структуры в системах с чрезвычайно высоким содержанием нейтронов

Один из самых фундаментальных вопросов ядерной физики заключается в том, сколько нейтронов может быть связано в атомном ядре с заданным числом протонов. Что касается фундаментального изотопа водорода, который содержит только один протон, то помимо хорошо известных дейтрона и тритона было обнаружено несколько очень богатых нейтронами изотопов от ⁴H до ⁷HN. Чрезвычайно тяжелые изотопы водорода ⁶H, состоящие из одного протона и пяти нейтронов, и ⁷H, содержащие еще один нейтрон, имеют самые высокие из известных до сих пор соотношений нейтронов и протонов. Это уникальные системы для решения этого вопроса. Однако экспериментальные данные об этих экзотических ядрах скудны, и результаты остаются противоречивыми. В частности, существует давняя дискуссия о том, является ли энергия основного состояния ΘH низкой или высокой.

Новый метод получения водорода-6 в совместном эксперименте A1

Совместно с привлеченными китайскими и японскими учеными коллаборация A1 разработала новый подход к производству ⁶H. В этом методе электронный пучок с энергией 855 мегаэлектронвольт (МэВ) попадает на мишень из лития, производя HH посредством двухэтапного процесса: сначала протон в ядре лития резонансно возбуждается взаимодействием с электроном и быстро распадается на нейтрон и положительно заряженный пион. Если этот нейтрон впоследствии передаст свою энергию другому протону внутри ядра, он может образовать богатый нейтронами изотоп водорода ΘH вместе с остаточным ядром, в то время как пион и протон покидают ядро и могут быть обнаружены одновременно вместе с рассеянным электроном с помощью трех магнитных спектрометров. Чтобы достичь достаточной производительности для этого редкого процесса, литиевая пластина длиной 45 миллиметров и толщиной 0,75 миллиметра была пропущена электронным лучом вдоль стороны длиной 45 миллиметров. Это крайне необычно, поскольку в экспериментах по рассеянию электронов обычно используются очень тонкие мишени вдоль оси пучка, при этом луч попадает на широкую поверхность, перпендикулярную направлению его распространения. Эта специальная установка стала возможной благодаря превосходному качеству луча MAMI, в частности, благодаря чрезвычайно сфокусированному и стабильному электронному пучку. Дополнительной проблемой было обращение с самим литием, поскольку этот материал обладает высокой химической активностью, механически хрупок и чувствителен к температуре.

В ходе четырехнедельной кампании по измерению, как и было подсчитано, наблюдалось примерно одно событие в день. Это был один из редких экспериментов в MAMI, в ходе которого все три спектрометра высокого разрешения в экспериментальном зале A1 работали одновременно в режиме совпадения, так что можно было обнаружить три частицы одновременно. Эта сложная настройка обеспечила уровень точности, который ранее не был достигнут, при сохранении чрезвычайно низкого фона.

Новое измерение дало четкий сигнал ΘH с очень низкой энергией основного состояния, что указывает на более сильное взаимодействие между нейтронами за ⁶ ч, чем ожидалось из недавних теоретических расчетов. Таким образом, этот результат бросает вызов нашему пониманию многоядерных взаимодействий в системах, очень богатых нейтронами.

Эксперимент финансировался Немецким исследовательским фондом (DFG) в рамках Национальной программы ключевых исследований и разработок Китая и программы финансирования исследований и инноваций Европейского союза "Горизонт 2020". Дальнейшая поддержка была оказана Национальным фондом естественных наук Китая и Японским обществом содействия развитию науки (JSPS).