Международная команда ученых под руководством Института ядерной физики Университета им. Иоганна Гутенберга в Майнце (JGU) впервые в мире синтезировала один из самых нейтронно-избыточных изотопов — водород-6, состоящий из одного протона и пяти нейтронов. Эксперимент был проведен на ускорителе частиц Mainz Microtron (MAMI) с использованием высокоэнергетического электронного пучка мощностью 855 МэВ, он открыл новую методику изучения экзотических ядер. Результаты, полученные в сотрудничестве с учеными из университетов Китая и Японии, показали, что энергия основного состояния водород-6 ниже, чем предсказывали теории, что заставляет пересмотреть модели взаимодействий нейтронов в нестабильных ядрах.

Эксперимент на MAMI использовал инновационный двухэтапный процесс. Электронный пучок энергией 855 МэВ направлялся на специально подготовленную мишень из лития-7. На первом этапе электрон взаимодействовал с протоном в ядре лития, вызывая его распад на нейтрон и пион. На втором этапе этот нейтрон передавал энергию другому протону, формируя водород-6 вместе с остаточным ядром. Для обнаружения слабого сигнала водород-6, ученые использовали три высокоточных магнитных спектрометра, которые одновременно регистрировали рассеянный электрон, выброшенный пион и протон. «Эта методика уникальна благодаря качеству пучка MAMI и точности спектрометров», — отметил профессор Йозеф Похозалла из JGU.

Создание водород-6 потребовало преодоления серьезных препятствий. Ученые разработали удлиненную мишень из лития (45 мм в длину, 0,75 мм в толщину), что увеличило вероятность взаимодействия. Работа с хрупким и химически активным литием была крайне сложной. За четыре недели эксперимента регистрировалось около одного события водород-6 в день, но высокая точность и низкий уровень фонового шума позволили подтвердить создание изотопа. Удивительно, что энергия основного состояния водород-6 оказалась ниже теоретических прогнозов, указывая на более сильные нейтронные взаимодействия в ядре.

Водород-6, с соотношением нейтронов к протонам 5:1, находится на границе ядерной стабильности. Изучение таких изотопов помогает ответить на фундаментальный вопрос: сколько нейтронов может удерживать ядро. «Данные об экзотических ядрах редки, а результаты часто противоречивы», — подчеркивают ученые. Новый метод открыл возможность исследования других нейтронно-избыточных ядер, таких как водород-7, он также улучшит понимание многочастичных взаимодействий. Это имеет значение не только для ядерной физики, но и для астрофизики, где такие ядра играют роль в звездообразовании.