Выкованный в Национальной сверхпроводящей циклотронной лаборатории МГУ, или NSCL, этот изотоп настолько нестабилен, что распадается прежде, чем ученые смогут измерить его непосредственно. Тем не менее, этот изотоп, который не стремится к существованию, может помочь исследователям лучше понять, как образуются атомы, определяющие наше существование.

Возглавляемая исследователями из Пекинского университета в Китае, команда включала ученых из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, МГУ и других институтов.

"Один из главных вопросов, который меня интересует, заключается в том, откуда берутся элементы Вселенной", - сказал Кайл Браун, доцент кафедры химии в Институте редких изотопных пучков, или FRIB. Браун был одним из руководителей нового исследования, опубликованного онлайн 22 декабря журналом Письма с физическим обзором.

"Как сделаны эти элементы? Как происходят эти процессы?" - спросил Браун.

Новый изотоп сам по себе не ответит на эти вопросы, но он может помочь уточнить теории и модели, которые ученые разрабатывают для объяснения таких загадок.

Земля полна природного магния, добытого давным-давно в звездах, который с тех пор стал ключевым компонентом нашего рациона и минералов в коре планеты. Но этот магний стабилен. Его атомное ядро, или нуклеус, не распадается на части.

Однако новый изотоп магния слишком нестабилен, чтобы его можно было найти в природе. Но, используя ускорители частиц для получения все более экзотических изотопов, подобных этому, ученые могут расширить границы моделей, которые помогают объяснить, как все ядра строятся и остаются вместе.

Это, в свою очередь, помогает предсказать, что происходит в экстремальных космических условиях, которые мы, возможно, никогда не сможем непосредственно имитировать на Земле или измерить с нее.

"Тестируя эти модели и делая их все лучше и лучше, мы можем экстраполировать то, как работают вещи там, где мы не можем их измерить", - сказал Браун. "Мы измеряем то, что можем измерить, чтобы предсказать то, чего не можем".

NSCL помогает ученым по всему миру углублять понимание Вселенной человечеством с 1982 года. FRIB продолжит эту традицию, когда эксперименты начнутся в 2022 году. FRIB - это пользовательское учреждение Управления науки Министерства энергетики США, или DOE-SC, поддерживающее миссию Управления ядерной физики Министерства энергетики США.

"FRIB собирается измерить многое из того, что мы не могли измерить в прошлом", - сказал Браун. "На самом деле у нас есть утвержденный эксперимент, который планируется провести в FRIB. И мы должны быть в состоянии создать еще одно ядро, которое не было создано раньше".

Готовясь к этому будущему эксперименту, Браун участвовал в четырех различных проектах по созданию новых изотопов. Это включает в себя новейший, который известен как магний-18.

Все атомы магния имеют 12 протонов внутри своих ядер. Ранее самая легкая версия магния содержала 7 нейтронов, что давало ему в общей сложности 19 протонов и нейтронов - отсюда и его обозначение как магний-19.

Чтобы получить магний-18, который легче на один нейтрон, команда начала со стабильной версии магния, магния-24. Циклотрон в NSCL разогнал пучок ядер магния-24 примерно до половины скорости света и направил этот пучок в мишень, представляющую собой металлическую фольгу, изготовленную из элемента бериллий. И это был только первый шаг.

"Это столкновение дает вам кучу различных изотопов, более легких, чем магний-24", - сказал Браун. "Но из этого супа мы можем выбрать тот изотоп, который нам нужен".

В данном случае этим изотопом является магний-20. Эта версия нестабильна, что означает, что она распадается, как правило, в течение десятых долей секунды. Таким образом, команда работает над тем, чтобы магний-20 столкнулся с другой бериллиевой мишенью на расстоянии около 30 метров, или 100 футов.

"Но он движется с половиной скорости света", - сказал Браун. "Это происходит довольно быстро".

Именно это следующее столкновение создает магний-18, срок службы которого составляет примерно секстиллионную долю секунды. Это такое короткое время, что магний-18 не успевает покрыться электронами, чтобы стать полноценным атомом, прежде чем распадется на части. Она существует только как голое ядро.

На самом деле, это такое короткое время, что магний-18 никогда не покидает бериллиевую мишень. Новый изотоп распадается внутри цель.

Это означает, что ученые не могут исследовать изотоп непосредственно, но они могут охарактеризовать характерные признаки его распада. Магний-18 сначала выбрасывает два протона из своего ядра, превращаясь в неон-16, который затем выбрасывает еще два протона, превращаясь в кислород-14. Анализируя протоны и кислород, которые действительно покидают мишень, команда может определить свойства магния-18.

"Это была командная работа. Все очень усердно работали над этим проектом", - сказал Браун. "Это довольно захватывающе. Не каждый день люди открывают новый изотоп".

Тем не менее, ученые каждый год добавляют новые записи в список известных изотопов, число которых исчисляется тысячами.

"Мы добавляем капли в ведро, но это важные капли", - сказал Браун. "Мы можем поставить свои имена на этом, вся команда может. И я могу сказать своим родителям, что я помог обнаружить это ядро, которое никто другой раньше не видел".

Это исследование было поддержано: Управлением ядерной физики Министерства энергетики США в рамках гранта № DE-FG02-87ER-40316; Национальный научный фонд США в рамках гранта № PHY-1565546; Государственная ключевая лаборатория ядерной физики и технологии Пекинского университета по гранту № NPT2020KFY1; Национальная программа ключевых исследований и разработок Китая по гранту № 2018YFA0404403; и Национальный фонд естественных наук Китая по грантам № 12035001, 11775003, 11975282 и11775316. Дополнительная поддержка была оказана Китайским советом по стипендиям в рамках гранта № 201806010506.

NSCL - это национальное пользовательское учреждение, финансируемое Национальным научным фондом, поддерживающее миссию программы ядерной физики в физическом отделе NSF.

Мичиганский государственный университет (МГУ) управляет установкой для пучков редких изотопов (FRIB) в качестве пользовательского объекта для Управления науки Министерства энергетики США (DOE-SC), поддерживая миссию Управления ядерной физики Министерства энергетики США.