Почти нейтронная материя

ПОЧТИ НЕЙТРОННАЯ МАТЕРИЯ

За несколько лет до открытия в природных газах гелия-3 английский физик Т. Бьердж и советский радиохимик А. Е. Полесицкий, независимо друг от друга исследовавшие взаимодействие бериллия с нейтронами,  наблюдали  появление в ядерной  реакции радиоактивности, которая, как удалось доказать, была связана с новым изотопом гелия — гелием-6 :
 
Ве4 + n  Не2 + Не2.
 
Этот изотоп в отличие от основного содержал четыре нейтрона. Период полураспада гелия-6 оказался не таким уж и малым по сравнению с предельной нестабильностью окружавших его изотопов: примерно 0,8. с. Основной схемой распада было испускание
электрона с образованием ядра лития-6:
 
Не  Li + e + ν ( ν частица антинейтрино)
 
Впервые мысль о существовании более тяжелого изотопа гелия, содержавшего шесть нейтронов, была высказана Я. Б. Зельдовичем и В. И. Гольданским еще в 1960 году. Такое ядро, по их мнению, должно стать родоначальником целой цепочки радиоактивных превращений: гелий-8 должен испытать бета-распад с образованием ядра лития-8, тоже радиоактивного, который в свою очередь, испустив электрон, превратится в нестабильный изотоп бериллий-8. Последний существует только в течение так называемого ядерного времени, т. е. он практически мгновенно «разваливается» на две альфа-частицы. Такая сложная цепочка распадов оказалась достаточно надежным критерием для экспериментального поиска гелия-8.
 
На Земле известен только один способ получения изотопов, не встречающихся в природе: это ядерные реакции. Необходимо ускорить заряженные частицы до достаточно высоких энергий (можно использовать нейтроны или гамма-кванты) и направить их на вещества-мишени. Высокие энергии частиц-снарядов нужны, чтобы преодолеть силы электрического отталкивания, возникающие при приближении положительно заряженной частицы к атомному ядру. Заряженная частица, попав в атомное ядро, вызовет миниатюрный ядерный взрыв. Из ядер мишени, как из-рук иллюзиониста, будут вылетать и нуклоны , и их группы, и их сгустки, и атомные ядра. Многие изотопы впервые явились именно в образе осколков ядерного вещества.
 
Так случилось и с гелием-8. Спустя год, после того как его существование было предсказано теоретически, ленинградские физики О. В. Ложкин и А. А. Римский-Корсаков сообщили о наблюдении сразу двух частиц, рожденных в ядерных реакциях и могущих претендовать на роль самого тяжелого изотопа гелия. Возникает вопрос: неужели двух представителей нового изотопа достаточно, чтобы говорить об его открытии? Однако в современной физике элементарных частиц, равно как и в физике ядра, иногда приходится иметь дело со столь редкими событиями, что следующий случай наблюдать и изучать их может представиться очень нескоро, поэтому даже одно достоверное событие может стать открытием.
 
Две частицы, обнаруженные ленинградскими уче-ными и идентифицированные как ядра гелия с массовым числом восемь, были рождены именно в процессе взаимодействия частиц высоких энергий (их ускорили на синхрофазотроне Объединенного института ядерных исследований в подмосковном городе Дубна) с атомными ядрами. Мишенью и детектором одновременно служила ядерная фотоэмульсия.
 
Однако гелий-8 в этом эксперименте был открыт случайно. Более того, эксперимент не был «нацелен» на наблюдение таких редких событий и фотоэмульсия, которой пользовались исследователи, не позволяла зарегистрировать гелий-8 и литий-8, возникающие при бета-распаде. Потребовались дополнительные опыты, прежде чем гелий с массовым числом восемь занял место в таблице изотопов.
На очереди был поиск еще более тяжелого ядра— гелия-10. Пока наблюдать его в ядерных реакциях не удалось никому. Предполагают, что он может быть радиоактивным. Не исключено также, что этот изотоп, сбросив два нейтрона, способен превратиться в уже знакомый нам гелий-8. И наконец, может быть, гелий-10, как и гелий с массовыми числами пять и семь, вообще не существует? Сделать более определенные выводы физики не могли. Судьба гелия с восемью нейтронами зависит от таких тонких деталей взаимодействия между нуклонами, которые науке пока не известны  .
 
Для того чтобы окончательно решить вопрос о существовании гелия-10, оставался один путь: опережая развитие теории, искать… И гелий-10 искали во многих научных центрах мира, в том числе в Ленинграде и в Дубне. Искали в расщеплениях атомных ядер, вызванных попаданием в них частиц высоких энергий. Искали среди продуктов деления тяжелых ядер. Во всех этих процессах можно было найти практически все известные (и множество новых) изотопы легких ядер. Но когда дело касалось гелия, его спектр обрывался на гелии-8.
 
Итак, очередной мифический изотоп? Скорее всего, да. Если, конечно, не подвела статистика и гелий-10 рождается, но почему-то, по неизвестным причинам, гораздо реже, чем ожидается на основании известной вероятности появления других изотопов. Или он предпочитает (опять-таки по неизвестным причинам) «появляться» в иных процессах? Или же он, будучи предельно нестабильным, распадается еще до своего попадания в детектор?
 
Однако так и необнаруженный гелий с восемью нейтронами не закрывает список возможных изотопов этого элемента. Несмотря на неудачу с гёлием-10, теоретически рассчитаны ядра гелия-12, гелия-22 и даже более тяжелые. Как ни странно, даже более вероятным полагали получение гелия-22, чем других предельно пересыщенных нейтронами изотопов гелия, поскольку в этом случае нейтронная оболочка оказывается заполненной. Такие изотопы напоминали бы нейтронную материю, вещество которой почти лишено электрических зарядов.
Может ли нейтронная материя существовать на Земле? Или, точнее, как долго она могла бы существовать, какова ее стабильность? Дело в том, что нейтрон в свободном состоянии нестабилен, время его жизни около 1000 с. А далее он испытывает хорошо известный процесс радиоактивного распада, превращаясь в протон, электрон и антинейтрино. Аналогичный процесс распада для протона, в общем-то вполне вероятный, невозможен по энергетическим соображениям, поскольку протон немного легче нейтрона.
 
Но когда нейтрон становится составной частью атомного ядра, ситуация резко меняется. Поле действия ядерных сил каким-то образом стабилизирует, замораживает  нейтрон.  Атомное  ядро,  в  которое наряду с протонами и нестабильные в свободном  состоянии нейтроны, может существовать практически вечно. Речь идет, разумеется, о тех ядрах, вторым не угрожает процесс радиоактивного pacпада . Конечно вечность для физики понятие некорректное Но в данном случае «вечность» означает время около.1030 лет или даже больше. Согласитесь, эту цифру даже астрономической назвать трудно. Во всяком случае считают, что возраст нашей Вселенной на двадцать порядков меньше.
 
Однако атомное ядро —не единственное во Вселенной место, где нейтрону не угрожает процесс радиоактивного распада. Нейтронная материя существвует, по-видимому, и в недавно открытых нейтронных-звездах. На определенной стадии эволюции звезды по мере выгорания термоядерного горючего под действием сил тяготения звезда начинает сжиматься. Физические условия в недрах таких звезд весьма необычны. Мощное гравитационное поле звезды буквально «вдавливает» электроны в протоны, превращая их в нейтронную материю, причем стабильную. В роли стабилизатора выступает не поле ядерных сил, как это имеет место в атомном ядре, а поле тяготения. Вещество нейтронных звезд состоит из плотно упакованных нейтронов, а их недра, как предполагают, даже из гиперонов — элементарных частиц, более тяжелых, чем нуклоны, время жизни которых в тысячи миллиардов раз короче, чем нейтронов. Плотность вещества нейтронной звезды такая же, как и атомно-го ядра, и даже выше. Но радиус атомного ядра не превышает 10¹³ см, а нейтронная звезда представляет собой быстро вращающийся очень горячий волчок радиусом около 10 км. Для астрономов — это миниатюрная, хотя и очень плотная звезда для физиков — это гигантское атомное ядро .
 
Очень обнадеживали предсказания теоретиков, допускающих существование ядер из 6, 8 и даже 22 нейтронов. А в некоторых теоретических моделях речь шла о сверхтяжелых нейтронных ядрах с массовым числом 300. Но эксперимент (пока) показывает, что существование подобных «капель» нейтронной материи, к сожалению, скорее всего можно предполагать лишь теоретически. А вот ядра, сильнообогащенные нейтронами,— это реальность.
 
В последние годы усилиями многих лабораторий мира таблица изотопов обогатилась десятками новых легких ядер, массы которых лежат вблизи границы ядерной стабильности. Среди них литий с восемью, кислород с шестнадцатью, калий с тридцатью двумя нейтронами. Почти нейтронная материя, поскольку вкрапленные в ее вещество немногочисленные протоны играют роль своеобразного ядерного клея, от которого при конструировании изотопов пока невозможно отказаться. Однако рекордсменом среди этих нейтронно избыточных ядер оказывается уже знакомый нам гелий-8. Соотношение нейтронов и протонов у него самое большое среди всех известных физикам ядер. Опять-таки гелий!
Статья на тему Почти нейтронная материя