Природа обманула магию физики: дважды магический и самый тяжёлый изотоп кислорода оказался нестабильным

Синтез самого тяжелого изотопа кислорода, который, согласно фундаментальным законам физики, должен был быть практически вечным, закончился мгновенным распадом. Этот неожиданный результат, полученный японскими исследователями, ставит под сомнение не просто отдельную теорию, а один из краеугольных камней современной физики — Стандартную модель. Ученые столкнулись с феноменом, который указывает на то, что наше понимание сильного ядерного взаимодействия, скрепляющего материю, может быть неполным.

Эксперимент, бросивший вызов «магическим числам»

Группа физиков из Токийского технологического института провела серию ядерных превращений на ускорителе Riken RI в городе Вако. Целью было получить изотоп кислорода-28 (²⁸O), который содержит на 12 нейтронов больше, чем его самая распространенная на Земле форма — кислород-16. Для этого ученые направили пучок изотопа фтора-29 на мишень из жидкого водорода. В результате столкновения оба ядра потеряли по одному протону, что привело к образованию искомого изотопа.

Однако факт рождения ²⁸O ученые зафиксировали лишь косвенно — по следам его распада. Вопреки предсказаниям теории, изотоп разрушился за рекордно короткое время — одну зептосекунду (10^-21 секунды). Для сравнения, это в миллиарды раз быстрее, чем требуется свету, чтобы пересечь атом.

Почему «дважды магическое» ядро оказалось нестабильным?

Согласно положениям Стандартной модели, атомное ядро обладает повышенной стабильностью, если число протонов или нейтронов в нем равно так называемому «магическому числу» (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126). Кислород-28 содержит 8 протонов и 20 нейтронов — оба показателя являются магическими. Такая конфигурация, известная как «дважды магическая», теоретически должна делать ядро исключительно прочным и долгоживущим.

«Лично я думал, что это двойная магия. Но природа сказала свое слово», — прокомментировал результаты Такаши Накамура, физик из Токийского технологического института и соавтор исследования. Мгновенный распад изотопа заставил ученых пересмотреть устоявшиеся представления. Схема распада показала, что ²⁸O в итоге превратился в кислород-24 и четыре свободных нейтрона, пройдя через два промежуточных этапа.

Физик Ритупарна Канунго из Университета Святой Марии (Канада), не участвовавший в эксперименте, назвал это открытие «очень, очень большим фундаментальным вопросом о самом сильном взаимодействии в природе — ядерной силе». Если раньше считалось, что магические числа гарантируют стабильность, то теперь ученым предстоит выяснить, почему для кислорода-28 это правило не сработало.

Еще в 2009 году исследователи обнаружили, что изотоп кислород-24 ведет себя как «дважды магический», хотя его оболочки не соответствуют классическим магическим числам. Новый эксперимент подтверждает, что список этих чисел может быть неполным или вовсе требовать пересмотра. Подобные аномалии не разрушают науку, а, напротив, указывают путь к новым открытиям. Именно такие загадки заставляют физиков искать более глубокое объяснение того, как устроена материя на самом фундаментальном уровне.