Открытия сотрудников ЛЯП ОИЯИ. Явление образования и распада сверхтяжелого гелия — гелия-8
Установлено, что наибольшей устойчивостью обладают ядра, содержащие равное число протонов и нейтронов. Среди легких элементов это относится, в частности, к самому распространенному из изотопов гелия — гелию-4, состоящему из двух протонов и нейтронов, а также к кислороду $О^{16}$, состоящему из восьми протонов и восьми нейтронов, и др.
В 1959-1960 гг. Я. Б .Зельдович и В. И. Гольданский теоретически предсказали существование сверхтяжелого гелия с атомным весом 8, с ядром, в состав которого входят два протона и шесть нейтронов. Такое ядро должно было быть «рекордным» среди всех ядер периодической системы Д. И. Менделеева — в нем каждый протон должен удерживать по три нейтрона.
Экспериментальное доказательство существования такого ядра стало важной проблемой для многих научных центров. В 1961 г. в Радиевом институте имени В. Г. Хлопина (Ленинград) О. В. Ложкин и А. А. Римский-Корсаков наблюдали в ядерной эмульсии, облученной протонами, два необычных следа ядерных частиц. Следы имели Т-образную форму и были подобны тем, какие оставляют в фотоэмульсии ядра лития-8, однако с заметно меньшей плотностью проявленных зерен.
В течение 1961-1965 гг. сообщения об успешном получении гелия-8 оказывались либо недостаточно надежными, либо просто ошибочными. Необходимы были прямые поиски гелия-8 с помощью трековых детекторов.
В октябре 1965 г. Ю. А. Батусов, С. А. Бунятов, В. М. Сидоров и В. А. Ярба в Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований зарегистрировали случай образования гелия-8 при захвате пи-мезона углеродом. В ядерной фотоэмульсии были зафиксированы следы гелия-8 и всех заряженных частиц от его распада, а также следы частиц, возникающих при образовании ядра.
Энергия, вносимая мезоном в ядро при захвате, была точно известна. Это масса покоя пи-мезона. Поэтому оказалось возможным провести кинематический анализ наблюдаемой реакции — проверкой энергоимпульсного баланса идентифицировать гелий-8 в самом акте образования и измерить его массу. Благодаря наблюдению в одном эксперименте одновременно акта рождения и акта распада впервые удалось доказать факт существования нуклоностабильного ядра гелия-8, состоящего из двух протонов и шести нейтронов. В дальнейших исследованиях в Дубне зарегистрированы и другие случаи образования гелия-8 в ядерных реакциях.
Обнаружение бета-радиоактивного ядра гелия-8 имеет большое значение прежде всего для определения границы устойчивости нейтроноизбыточных атомных ядер и исследований свойств ядер на границе устойчивости. В природе существует закономерность, согласно которой в стабильных легких ядрах число нейтронов примерно равно числу протонов. Отклонение от этой закономерности приводит к нестабильности атомных ядер. В ядре гелия-8 отношение нейтронов к протонам равно трем. В связи с этим возникает вопрос, не могут ли существовать другие ядра с таким же отношением или ядра, в которых вообще нет протонов, — так называемые нейтронные ядра?
На основе существования нуклоностабильного гелия-8 в астрофизике выдвинуты гипотезы об источниках солнечной энергии и о природе солнечных антинейтрино. По современным представлениям, в звездах и на Солнце происходит непрерывное превращение водорода в связанные нейтроны. В среде может существовать большое количество гелия-8. В результате бета-распада гелий-8 превращается в две альфа-частицы, при этом выделяется энергия, во много раз большая, чем при бета-распаде нейтрона. Поэтому гелий-8 может играть важную роль во всякого рода взрывных астрофизических явлениях. Значительная часть энергии распада гелия-8 уносится в виде энергии антинейтрино.
В настоящее время некоторые методы расчетов энергии связи нуклонов в легких ядрах предсказывают возможность существования еще более перегруженных нейтронами изотопов гелия, в частности гелия-10 и гелия-22. С точки зрения оболочечной модели ядра такие ядра не могут быть устойчивыми. Эта модель предполагает, что для нейтронов выгодно состояние, когда они связаны попарно.
Многочисленные попытки зарегистрировать нуклоностабильное ядро гелия-10 не привели к положительному результату. Гелий-8 остается ядром-рекордсменом.
Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 119 в такой формулировке:
«Установлено ранее неизвестное явление образования и бета-распада нуклоностабильного ядра с наибольшим известным отношением числа нейтронов к числу протонов N/Z=3 на примере сверхтяжелого гелия — $Не^8$».
Приоритет открытия установлен по двум датам: 22 октября 1959 г. (теоретическое обоснование существования гелия-8), 30 октября 1965 г. (экспериментальное доказательство существования нуклоностабильного ядра гелия-8).
