С помощью установок нового поколения с пучками радиоактивных ионов можно проводить эксперименты по открытию новых изотопов и выявлению физики экзотических ядер, находящихся вдали от дорожки β-стабильности.

Исследователи из Института современной физики (Institute of Modern Physics, IMP) Китайской академии наук (Chinese Academy of Sciences, CAS) в сотрудничестве с Техническим университетом Мюнхена предсказали существование экзотических ядер с помощью ковариантной теории функционала плотности (the covariant density functional theory). Исследование было опубликовано в журнале Atomic Data and Nuclear Data Tables.

Для подтверждения существования вновь открытых изотопов и пределов изотопических цепочек необходимо было определить массы ядер, их радиусы, периоды полураспада. Ориентиром служил набор надежных теоретических предсказаний характеристик (физических свойств) новых изотопов.

Измерение последних связанных ядер изотопических цепочек не только проверяет ядерную теорию, но и способствует пониманию масштабов нуклеосинтеза (синтеза химических элементов) в экстремальных астрофизических условиях во время слияния нейтронных звезд, коллапса ядер сверхновых и рентгеновских вспышек.

Ковариантная теория функционала плотности - один из наиболее успешных подходов к изучению ядерной структуры. Теория описывает взаимодействия между нуклонами в ядерной среде.

Нуклон-нуклонное взаимодействие можно описать либо в виде точечно-связного взаимодействия либо в виде мезонно-обменного взаимодействия. В данном исследовании ученые подключили одно из этих взаимодействий к релятивистскому подходу Хартри-Боголюбова, чтобы систематически исследовать свойства основного состояния всех изотопических цепочек от кислорода до дармштадтия. Исследования включали расчеты энергий связи, энергий отделения одного и двух нейтронов, среднеквадратичных радиусов и распределений заряда, поверхностей Ферми, спинов и четностей основного состояния ядер.

"На самом деле экзотические ядра, которые потенциально могут демонстрировать новые явления, являются испытательным полигоном для нашего понимания квантовой системы многих тел. Существование около 2 500 нуклидов уже доказано экспериментально. Мы ожидаем появления установок для открытия новых экзотических ядер. Сопоставление теоретических предсказаний с экспериментальными результатами может стать для нас интересной перекрестной проверкой наших теоретических моделей", - говорит Лю Цзысинь из IMP, первый автор статьи.

На основе перечисленных свойств основных состояний ядер были подробно рассмотрены линии энергий отделения нейтрона и протона, явление гало и новая проблема магического числа. Предсказанные свойства могут послужить руководством для будущих экспериментов и теоретических исследований в ядерной физике.