Как Вселенная делает золото: физики впервые увидели «двойной» нейтронный выстрел

Физики наконец-то подобрались к одному из самых красивых вопросов астрофизики: как во Вселенной возникает золото и другие тяжёлые элементы. Для этого им пришлось решить чисто ядерную задачу, над которой ломали голову примерно 20 лет.

Откуда вообще берётся золото

Золото не рождается внутри обычных звёзд вроде Солнца — там недостаточно экстремальные условия. По современным представлениям, тяжёлые элементы (золото, платина и т.д.) появляются в самых жёстких событиях космоса: слияниях нейтронных звёзд и некоторых мощных взрывах, где ядра захватывают нейтроны с бешеной скоростью — это называют r‑процессом. В такой среде ядра становятся сильно нестабильными, а затем распадаются и «спускаются» к более устойчивым состояниям, по пути рождая тяжёлые элементы. Но детали этих распадов были известны очень плохо, особенно редкие варианты, где ядро после бета‑распада выбрасывает сразу два нейтрона.

В чём была ядерная загадка

Часть нестабильных ядер после бета‑распада оказывается в сильно «возбуждённом» состоянии и может сбросить лишнюю энергию, выпустив один или два нейтрона. Случай, когда вылетают именно два нейтрона (бета‑задержанное испускание двух нейтронов), особенно важен для r‑процесса, но измерить его параметры оказалось невероятно сложно. Такие ядра живут доли секунды, их трудно получить в нужном количестве, а сами нейтроны — «призрачные»: не имеют заряда, много раз рассеиваются и почти не оставляют следов. Раньше учёные могли лишь фиксировать, что «что‑то вылетело», но не знали точные энергии этих нейтронов — без этого теории приходилось подгонять почти вслепую.

Как эксперимент наконец «поймал» два нейтрона

Команда из Университета Теннесси и их коллег работала с редким изотопом индия‑134. Его производили на установке ISOLDE в ЦЕРН и с помощью лазерного разделения очищали от примесей, после чего он распадался в возбужденные ядра олова‑134, 133 и 132 — как раз в области таблицы нуклидов, важной для r‑процесса. Ключевым инструментом стал новый нейтронный детектор, построенный в Теннесси при поддержке Национального научного фонда США. Он позволил не только увидеть факт пролёта нейтронов, но и восстановить их энергии по времени прихода и характеру сигналов — такой точности раньше просто не было. В результате физики впервые напрямую измерили энергии нейтронов, испускаемых именно в редком режиме бета‑задержанного двойного испускания.

«Память» ядра и состояние, которое искали 20 лет

В тех же данных исследователи обнаружили ещё одну важную вещь: давно предсказанное, но не наблюдавшееся ранее нейтронное состояние в ядре олова‑133. Оказалось, что после распада индия‑134 образующееся олово как бы «помнит», откуда оно появилось: в его структуре проявляется промежуточное состояние, связанное с тем, как ядро теряет два нейтрона. Один из авторов работы подчеркнул, что это состояние пытались найти около 20 лет, и именно наблюдение двух нейтронов позволило, наконец, его увидеть. Это состояние играет роль промежуточного «этажика» в цепочке распада и одновременно завершает картину элементарных возбуждений ядра олова‑133, улучшая точность ядерных моделей.

Зачем всё это космологии

Для расчёта, сколько золота, платины и других тяжёлых элементов образуется в слияниях нейтронных звёзд и взрывах, нужны точные данные: сколько времени живут экзотические ядра, с какой вероятностью они выбрасывают один или два нейтрона, какие уровни в ядре при этом задействованы. Новые измерения по индий‑134 и олову‑133 напрямую идут в такие модели и позволяют лучше согласовать теорию с наблюдениями химического состава старых звёзд и остатков космических катастроф. Авторы работы отмечают, что помимо решения давней «ядерной загадки» результаты дают первые намёки на то, как ядерное деление и сложная структура ядер влияют на производство золота и других тяжёлых элементов во Вселенной. Теперь, когда методика отработана, подобные эксперименты можно проводить и с другими экзотическими ядрами — это шаг к по‑настоящему детальной «карте» космической алхимии.