Американская команда проследила источник аномальных гамма-лучей цинка-70: магнитные переходы могут улучшить модели образования тяжёлых элементов

Международная исследовательская группа под руководством учёных из Установки для пучков редких изотопов (FRIB) Университета штата Мичиган (США) недавно подтвердила источник интенсивного испускания низкоэнергетических гамма-лучей ядрами цинка-70. Исследование показало, что ключевой причиной усиления этого аномального сигнала являются магнитные переходы, происходящие внутри ядра. Соответствующие результаты опубликованы в журнале Nature под названием «Магнитная природа низкоэнергетического усиления в 70Zn».

Гамма-лучи — это электромагнитное излучение, испускаемое возбуждёнными ядрами при переходе на более низкие, более стабильные энергетические уровни. Долгое время учёные наблюдали в некоторых ядрах аномальное увеличение количества низкоэнергетических гамма-лучей, известное как «низкоэнергетическое усиление» (LEE), однако его физический механизм оставался невыясненным. Данное исследование предоставляет новые экспериментальные данные для решения этой проблемы ядерной физики.

Исследовательская группа сосредоточила внимание на цинке-70. Считается, что цинк-70 обладает эффектом низкоэнергетического усиления, а его структура энергетических уровней относительно хорошо изучена. Исследователи не анализировали цинк-70 напрямую, а изучали β-распад двух различных энергетических состояний его материнского ядра — меди-70: одно из них — основное состояние, другое — возбуждённое состояние или изомер. Эти два пути распада заполняют различные комбинации энергетических уровней цинка-70, что позволяет исследователям наблюдать его ядерную структуру с взаимодополняющих точек зрения.

Для получения высокочистого пучка ионов меди-70 группа использовала ловушку для ионов с низкой энергией LEBIT на установке FRIB, а для регистрации гамма-лучей, испускаемых цинком-70, применялся суммирующий детектор на основе йодида натрия. Затем исследователи использовали два метода анализа — метод β-Осло и метод формы — для определения функций интенсивности гамма-лучей, соответствующих различным начальным состояниям. Сравнив результаты двух подходов, группа подтвердила, что низкоэнергетическое усиление в основном обусловлено магнитными переходами внутри ядра.

Исследователи отмечают, что этот результат предоставляет новую экспериментальную основу для теоретических моделей ядра, а также открывает перспективный путь для дальнейшего изучения явления низкоэнергетического усиления в других ядрах. Поскольку низкоэнергетическое усиление влияет на скорости реакций захвата нейтронов, полученные результаты помогут улучшить модели процессов образования тяжёлых элементов в экстремальных астрофизических средах, таких как вспышки сверхновых и слияния нейтронных звёзд.

В проекте приняли участие исследователи из 25 учреждений США, Канады, Италии, Германии, Норвегии, Южной Кореи и других стран. Исследовательская группа считает, что с развитием соответствующих экспериментальных методов и методов разделения изомеров в будущем появится возможность проверить этот механизм на большем числе ядер, что позволит дальнейшее совершенствование моделей ядерной структуры и ядерной астрофизики.