Cząstka alfa – jądro helu złożone z dwóch protonów i dwóch neutronów – jest jednym z produktów promieniotwórczości odkrytych przez Ernesta Rutherforda jeszcze przed sformułowaniem modelu jądra atomowego. Mimo że rozpad alfa należy do podstaw fizyki jądrowej, jedno pytanie pozostawało bez odpowiedzi przez dekady: czy cząstka alfa formuje się wewnątrz jądra jako odrębny układ, jeszcze zanim zostanie wyemitowana? Teraz, dzięki badaniom opublikowanym w Nature, fizycy mają do tego zjawiska bezprecedensowy wgląd.

Jak rodzi się cząstka alfa

W opisie rozpadu alfa kluczową rolę odgrywa mechanika kwantowa. Cząstka alfa nie ma klasycznie wystarczającej energii, by pokonać barierę potencjału utrzymującą ją w jądrze – mimo to ją przekracza, dzięki zjawisku tunelowania. Ten model dobrze tłumaczy czasy życia wielu jąder, ale nie wyjaśnia wcześniejszego etapu: w jaki sposób dwa protony i dwa neutrony układają się razem w jądrze w zwartą cząstkę alfa, zanim ta zostanie wyemitowana. Do oceny tego procesu fizycy posługują się pojęciem preformacji – prawdopodobieństwa, że cząstka alfa jako układ istnieje w jądrze jeszcze przed emisją.

Szczególnie dobrym przypadkiem do takich badań jest tellur-104. Można go opisać jako układ złożony z cyny-100 i cząstki alfa. Cyna-100 jest jądrem podwójnie magicznym – zarówno jej protony, jak i neutrony tworzą wyjątkowo stabilną konfigurację powłokową. Taki stabilny rdzeń sprawia, że ewentualne „przyczepienie” cząstki alfa do jego powierzchni jest szczególnie wyraźne, a jej preformacja – łatwiejsza do zmierzenia i zinterpretowania.

Eksperyment na granicy możliwości

Pomiar przeprowadzono w ośrodku RIKEN w Japonii. Badacze wytwarzali ksenon-108, który rozpadał się do telluru-104, a ten następnie do cyny-100. W ciągu 124 godzin eksperymentu udało się zidentyfikować zaledwie 12 jąder ksenonu-108, z czego dziewięć można było skorelować z dalszymi rozpadami. Czas półtrwania telluru-104 wyznaczono na 7,2 nanosekundy – to najkrótszy czas półtrwania ze stanu podstawowego zmierzony kiedykolwiek dla emitera alfa. Energia emitowanej cząstki wynosi 5,03 MeV, a energia całej przemiany – 5,23 MeV. Wyniki potwierdziły wyjątkowo wysokie prawdopodobieństwo preformacji cząstki alfa w tym jądrze, znacznie wyższe niż w innych znanych emiterach.

W pracach uczestniczył Aleksander Augustyn, doktorant czwartego roku Szkoły Doktorskiej Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ). Jak podkreślał w komunikacie NCBJ, tak skrajny przypadek dostarcza danych niezbędnych do testowania teorii przemian alfa w jądrach, które można wytwarzać tylko w wyspecjalizowanych akceleratorach. Wyniki mają znaczenie nie tylko dla fizyki jąder lekkich i średnich, ale też dla modeli opisujących jądra superciężkie, których emisja alfa jest jednym z głównych mechanizmów rozpadu.