«Апостериори»: Физики выяснили природу необычного гамма-излучения атомных ядер

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Учёные экспериментально показали, что наблюдаемое у некоторых атомных ядер усиление низкоэнергетического гамма-излучения имеет магнитную природу. Этот эффект изучают уже больше 20 лет, однако до сих пор было неясно, с какими процессами внутри ядра он связан.

Атомные ядра могут находиться в разных энергетических состояниях. При переходе из возбуждённого состояния в состояние с меньшей энергией ядро может испустить гамма-квант. При этом вероятность такого перехода зависит от энергии излучения и свойств самого ядра.

В начале 2000-х годов физики обнаружили необычную закономерность. У некоторых атомных ядер вероятность испускания гамма-квантов с относительно небольшой энергией – ниже примерно 3 мегаэлектронвольт – оказалась значительно выше ожидаемой. В дальнейшем такое низкоэнергетическое усиление обнаружили у многих лёгких и средних ядер, а также у некоторых более тяжёлых и радиоактивных изотопов.

Оставалось неизвестно, какую природу имеет этот эффект. Гамма-излучение атомных ядер может быть связано с электрическими или магнитными переходами между их квантовыми состояниями. Теоретические исследования указывали, что низкоэнергетическое усиление, вероятно, связано с магнитными переходами. В 2013 году удалось установить, что отвечающие за него переходы имеют дипольный характер, однако определить, являются они электрическими или магнитными, экспериментально не удавалось.

В исследовании, опубликованном в июле 2026 года в журнале Nature, физики проверили это на примере изотопа цинка-70. Учёные получили возбуждённые ядра цинка в результате распада меди-70 и использовали два разных исходных состояния её ядра. Благодаря особенностям квантовых переходов в одном случае электрическая составляющая гамма-излучения оказывалась значительно слабее, тогда как магнитная практически не изменялась. Это позволило сравнить два варианта и определить природу интересующего исследователей эффекта.

Даже при подавлении электрических переходов низкоэнергетическое усиление сохранилось. Сравнение экспериментальных данных с расчётами показало, что его можно объяснить магнитными дипольными переходами. Таким образом, исследователи впервые получили экспериментальное подтверждение магнитной природы этого эффекта для цинка-70.

Результат может оказаться важен для понимания не только структуры атомных ядер, но и происхождения химических элементов во Вселенной. Низкоэнергетическое усиление влияет на вероятность захвата нейтронов атомными ядрами. Из-за него такие реакции могут происходить значительно чаще, чем следовало бы из расчётов без учёта этого эффекта. А последовательный захват нейтронов играет важную роль в образовании многих химических элементов в звёздах и других астрофизических условиях.

Особенно важны подобные расчёты для нестабильных ядер, свойства которых сложно или невозможно непосредственно измерить в лаборатории. Чтобы моделировать образование элементов, физикам приходится предсказывать скорости реакций с большим количеством таких ядер. Поэтому понимание природы низкоэнергетического усиления может помочь сделать эти модели точнее.

При этом новое исследование пока не означает, что такое усиление имеет магнитную природу во всех атомных ядрах. Авторы экспериментально показали это для цинка-70. Следующая задача – понять, как величина и форма эффекта зависят от структуры разных ядер и можно ли заранее предсказывать, где и насколько сильно он будет проявляться. Именно это в дальнейшем позволит точнее рассчитывать скорости захвата нейтронов и процессы образования элементов.