Физики нашли ошибку в теории происхождения золота во Вселенной: стандартная модель ошиблась в 6 раз

Как во Вселенной появилось золото, платина или уран? В результате космических катастроф — столкновений нейтронных звезд. Так создается большинство элементов тяжелее железа. Физики называют это r-процессом. У нас есть общая теория, но многие ее детали оставались неясными.

Для уточнения деталей, ученые создают нужные условия на Земле. Они изучают редкие, очень нестабильные атомные ядра. Недавний опыт в ЦЕРН, который провела группа ученых IDS, позволил увидеть слабое место в моделях, описывающих Вселенную.

Что такое индий-134?

Основным объектом изучения стал изотоп индий-134. В его ядре 49 протонов и 85 нейтронов. Такой большой избыток нейтронов делает его очень нестабильным. Он существует всего около ста миллисекунд.

Затем с ним происходит бета-распад. Один из нейтронов становится протоном и выпускает электрон. Так индий-134 (49 протонов) делается оловом-134 (50 протонов). Этот процесс выделяет много энергии, которая остается в новом ядре олова. Оно получается сильно возбужденным.

Цепочка распада: как ядро теряет два нейтрона

Система с большим запасом энергии стремится от нее избавиться. Возбужденное ядро олова-134 делает это очень быстро. Оно выталкивает из себя один нейтрон.

Этот процесс называется бета-задержанным выбросом нейтрона. «Бета» — так как он следует за бета-распадом. «Задержанным» — так как нейтрон вылетает после него.

Далее, после потери первого нейтрона олово-134 делается оловом-133. И это ядро тоже может быть возбужденным. Если у него достаточно энергии, оно выбрасывает уже второй нейтрон.

Это и есть бета-задержанный двухнейтронный распад — очень редкое явление. Ученые смогли впервые не просто его увидеть для такого ядра, но и точно измерить энергию обоих вылетевших нейтронов.

Что именно измерили и открыли?

Ученые хотели найти определенное место внутри ядра олова-133. Это энергетический уровень, или состояние, с названием i₁₃/₂.

Одночастичное состояние — это конкретный уровень энергии с определенными свойствами, который может занять один нейтрон. Модели строения ядра предсказывали, что этот уровень должен существовать, но найти его не могли много лет. Он был недостающей частью схемы уровней олова-133.

Способ проверки был простым. Энергия второго вылетевшего нейтрона — это точный след того уровня, с которого он вылетел. Измерив эту энергию, ученые смогли вычислить энергию самого уровня. Так они нашли состояние i₁₃/₂, которое долго искали. Его энергия — 2829 кэВ.

Почему это важно для науки?

Может показаться, что теория подтвердилась, и как бы всё, конец истории. Но главный вывод был другим. Ученые измерили, как часто двухнейтронный распад идет через этот новый уровень при разных начальных энергиях.

И здесь данные не сошлись с предсказаниями.

Стандартная теория (статистическая модель), которую астрофизики применяют для расчетов r-процесса, говорит, что ядро перед выбросом частицы ведет себя предсказуемо. Вероятность разных путей распада зависит в основном от энергии и других общих свойств.

Опыт показал, что все иначе. При некоторых энергиях вероятность такого распада была почти в шесть раз ниже, чем предсказывала модель. Это означает, что внутренняя структура ядра и конкретные правила для переходов имеют большое значение.

Выходит, простая статистическая модель ошибается. Но именно на ней построены расчеты того, сколько золота и платины появляется при слиянии нейтронных звезд. Если модель неправильно описывает вероятность распада, то и итоговое количество элементов может быть посчитано неверно.

В общем, наши методы описания создания элементов требуют улучшения.

Источник: Physical Review Letters