Ameerika Ühendriikide ning Suurbritannia teadlased kinnitasid hiljuti, et lühiealine tina isotoop on eksklusiivse ‘kahekordselt maagiliste’ tuumade klubi uusim liige. See isotoop on neist jäigalt sfäärilistest tuumadest alles seitsmes, mille ‘maagilised’ omadused mõõtmiste kaudu kindlaks on tehtud. Antud eksperiment võib anda ka vihjeid raskete elementide tekkemehhanismide kohta massiivsete tähtede supernoovade plahvatustes.
Juba kaua on teada olnud fakt, et prootonitel ja neutronitel on sarnaselt elektronidega aatomis tuumades kindlad orbiidid. Selle teooria, nn. tuuma katte mudeli väljatöötanud teadlased Maria Goeppert-Mayer ja J. Hans D. Jensen pärjati 1963. aastal Nobeli Füüsikapreemiaga.
Holifield Ion Beam
Maagilisteks tuumadeks nimetatakse selliseid tuumasid, milledes vastavad prootonite või neutronite orbitaalid on täielikult täidetud. Maagilise prootonite või neutronite hulgaga tuumi iseloomustab tugevam sidestatus, suurem stabiilsus ning nad on seetõttu ka looduses rohkem esinevad. Kahekordselt maagilistes tuumades on nii prootonite kui ka neutronite orbitaalid täidetud, mistõttu sidestatus on veelgi suurem.
Kahekordne maagia
Siiani olid teadlased avastanud kõigest kuus kahekordselt maagilist tuuma, teheks selleks kindlaks nende välimiste katete sfäärilise olemuse. Viis neist, kaasa arvatud heelium-4 ja hapnik-16, on nende stabiilsuse tõttu looduses enimlevinuimad isotoobid. Ent 1998. aastal avastati siiani viimane kahekordselt maagiline tuum, nikkel-56, mis pole aga üldsegi nii stabiilne. Selle poolestusaeg on kõigest 5,9 päeva, sest sel on kaks neutronit vähem kui looduses palju levinumal nikkel-58’l.
Hiljuti kinnitasid aga teadlased Oak Ridge’i Rahvuslikust Laboratooriumist Tennessee’s seitsmenda kahekordselt maagilise kuid veelgi lühema elueaga tuuma olemasolu. Vastavalt tuuma katte mudelile pidi tina-132 oma 50 prootoni ja 82 neutroniga olema kahekordselt maagiline, selle tõestamine on osutunud aga erakordselt keeruliseks, sest tuuma poolestusaeg ei ületa 40 sekunditki.
Selle probleemi lahendusena mõtles Kate Jones Tennessee Ülikoolist välja uudse eksperimendi, mis standardprotseduurid pahupidi pööras. Siiani oli kahekordselt maagiliste tuumade kinnitamise eelistatud viisiks antud isotoobilt neutronite eemaldamine ning nende kaudu maagilise tuuma struktuuri kindlaks tegemine. Seda on võimalik teha valmistades antud materjalist õhuke kile ning pommitades seda deuteeriumkiirega.
Agressorist saab sihtmärk
Kuna tina-132 on aga liiga lühiealine et mingitki kilet valmistada, otsustas Jones’i töörühm sihtmärgi ja pommitava kiire omavahel ära vahetada. Oak Ridge’is asuva Holifield Radiation Isotope Beam Facility(HRIBF) abil kiirendati tina-132 umbes 10% valguse kiiruseni ning juhiti kiir polüetüleenist sihtmärgile, mida oli eelnevalt deuteeritud: selle vesinik-1 aatomid asendati vesinik-2 aatomitega. Tina-132 isotoopide põrkumisel sihtmärgiga lõhkusid mõned neist deuteeriumi molekule, tõmmates endale raskema tina-133 tuuma moodustamiseks neutroni, misläbi üks prooton aga jäi sihtmärgile.
Katse kõige nutikam osa on aga see, et teadlastel on võimalik uurida tagasipõrkavate prootonite liikumist, saades informatsiooni tina tuuma struktuuri kohta. Analüüsides nende prootonite energiat ning nurkjaotust, said teadlased kinnitada, et äratõmmatud neutron asub tina-132’e kinnise sisestruktuuri peal eraldi orbitaalil. Asjaolu, et neutron langeb sellisesse ‘üksiku osakese olekusse’, kinnitab tina-132’e kahekordselt maagilisel tuumal olnud rangelt sfäärilist loomust.
Jones’i sõnul teeb tulemuse nii usutavaks just üksiku osakese oleku selgus. ,,Arvati, et selliseid eksperimente ei saa läbi viia varem kui alles järgmise generatsiooni katseseadmetega, kuid me oleme väga õnnelikud, et saime sellega hakkama oma tsüklotronkiirendi abil, mille disain ulatub tagasi 50’nendatesse.”
Lühiealise tuuma struktuur
Rituparna Kanungo, eksperimentaalfüüsik St. Mary Ülikoolist Kanadas on Holifieldi töörühma kasutatud tagurpidise kinemaatika meetodist vaimustatud. ,,See on võimas kuid ka üpriski keeruline meetod üksikosakese olekute uurimiseks,” sõnas ta. ,,Need vaatlused on tuuma katte mudeli edasiarendamiseks olulised, seda eriti just lühikese elueaga isotoopide puhul.”
1950ndate aastate tehnoloogial põhinev Holifield Radioactive Ion Beam Facility
Üheks füüsika alaks, kus nendest uurimustest palju kasu võiks olla, on raskemate tuumade tekkemehhanismide uurimine plahvatuslikes tingimustes. Arvatakse, et rohkem kui pooled rauast raskemad elemendid pärinevad nn. R protsessist, kus toimub järjestikune ülikiire neutronite püüdmine tuumadesse, näiteks nikkel-56’te. ,,Põhiliselt toimuvad sellised protsessid supernoovade või neutrontähtede liitumisel, kuid nende plahvatusliku loomuse tõttu on selliseid tingimusi laboratooriumis väga raske tekitada,” lisas Jones.
Teadusartikkel “The magic nature of 132Sn explored through the single-particle states of 133Sn”