Międzynarodowy zespół naukowców z udziałem Aleksandra Augustyna z Narodowego Centrum Badań Jądrowych zaobserwował jedną z najszybszych znanych przemian alfa. Badania opublikowane w Nature dotyczą egzotycznego izotopu telluru-104, który rozpada się w ciągu zaledwie kilku miliardowych części sekundy. Wyniki pomagają odpowiedzieć na jedno z podstawowych pytań fizyki jądrowej: kiedy we wnętrzu jądra atomowego powstaje cząstka alfa emitowana podczas rozpadu promieniotwórczego

Rozpad alfa należy do najbardziej charakterystycznych zjawisk fizyki jądrowej. To właśnie w ten sposób rozpadają się między innymi uran czy rad. Z jądra atomowego zostaje wyemitowana cząstka alfa, czyli niewielki pakiet materii złożony z dwóch protonów i dwóch neutronów. Taki rozpad zmienia jeden pierwiastek w inny i pozwala niestabilnemu jądru przejść do bardziej trwałego stanu.

Od niemal stu lat fizycy potrafią opisać sam moment emisji. Mechanika kwantowa wyjaśnia, jak cząstka alfa wydostaje się z jądra, mimo że klasyczna fizyka nie pozwalałaby pokonać bariery energetycznej utrzymującej protony i neutrony razem. Znacznie trudniejsze okazało się odpowiedzenie na inne pytanie: czy cząstka alfa istnieje już wewnątrz jądra przed rozpadem, czy też powstaje dopiero w chwili emisji?

To problem, który dotyczy samej natury materii jądrowej. Protony i neutrony nie są w jądrze uporządkowane jak kulki w pudełku. Tworzą skomplikowany układ kwantowy, w którym oddziałują ze sobą bardzo silne siły jądrowe. Zrozumienie, w jaki sposób z tego układu wyłania się cząstka alfa, należy do podstawowych wyzwań współczesnej fizyki jądrowej. Dlatego badacze od lat poszukują jąder atomowych, które mogłyby działać jak naturalne laboratoria do obserwowania tego procesu. Jednym z najbardziej obiecujących kandydatów okazał się tellur-104.

Wyjątkowe jądro z wyjątkowo stabilnym wnętrzem

Tellur-104 nie występuje w przyrodzie. Powstaje wyłącznie podczas eksperymentów prowadzonych w akceleratorach cząstek i rozpada się niemal natychmiast po utworzeniu. Zainteresowanie fizyków wzbudziła jego budowa. Jądro tego izotopu zawiera 52 protony i 52 neutrony. Szczególnie ważne jest jednak to, że jego wnętrze przypomina jądro cyny-100, jednego z najbardziej niezwykłych układów znanych fizyce jądrowej.

Cyna-100 należy do grupy tak zwanych jąder podwójnie magicznych. Nazwa brzmi tajemniczo, ale nie ma nic wspólnego z magią. Fizycy odkryli, że protony i neutrony w jądrze układają się na pewnych poziomach energetycznych, podobnie jak elektrony w atomie. Gdy taki poziom zostaje całkowicie zapełniony, powstaje szczególnie trwała konfiguracja. Jeśli jednocześnie pełne są zarówno powłoki protonowe, jak i neutronowe, jądro określa się właśnie jako podwójnie magiczne.

Takie jądra są wyjątkowo stabilne i uporządkowane. Dzięki temu łatwiej badać zjawiska zachodzące na ich powierzchni. Fizycy od dawna podejrzewali, że właśnie w przypadku telluru-104 można będzie szczególnie wyraźnie zaobserwować proces formowania się cząstki alfa.

Międzynarodowy zespół badaczy z USA, Japonii, Polski, Niemiec i Hiszpanii postanowił sprawdzić tę hipotezę eksperymentalnie. Wśród autorów publikacji znalazł się Aleksander Augustyn, doktorant IV roku Szkoły Doktorskiej Narodowego Centrum Badań Jądrowych.

Siedem miliardowych części sekundy

Badacze zmierzyli czas półtrwania telluru-104, czyli czas, po którym rozpada się średnio połowa jąder danego izotopu. Wynik okazał się niezwykły. Czas półtrwania wyniósł zaledwie 7,2 nanosekundy, przy niepewności pomiarowej od minus 1,5 do plus 2,3 nanosekundy. Jedna nanosekunda to miliardowa część sekundy. Tak krótki czas istnienia czyni z  telluru-104 najszybszym znanym emiterem alfa ze stanu podstawowego. Stan podstawowy oznacza najniższy możliwy stan energetyczny jądra, a więc jego naturalną postać tuż po utworzeniu.

Jeszcze ważniejsza od samego rekordu jest jednak interpretacja wyniku. Pomiary wskazują, że w tellurze-104 cząstka alfa jest w dużym stopniu uformowana jeszcze przed rozpadem. Innymi słowy, dwa protony i dwa neutrony zaczynają tworzyć charakterystyczny układ, zanim zostaną wyemitowane z jądra.

„Tellur-104 jest jądrem lekkim, ale jego przemiana alfa to dla nas wyjątkowo czysty przypadek graniczny. Mechanizm, który obserwujemy tu w tak skrajnej postaci – wcześniejsze formowanie się cząstki alfa wewnątrz jądra – może pomóc w zrozumieniu procesu decydującego o przemianach alfa jąder ciężkich i superciężkich. Te ostatnie nie występują w przyrodzie w stabilnej postaci i można je wytwarzać jedynie w wyspecjalizowanych laboratoriach. Przemiana alfa pozostaje jednym z głównych okien, przez które możemy zaglądać w ich strukturę. Dlatego tak ekstremalny pomiar dostarcza twardych danych do testowania i kalibrowania modeli teoretycznych, których używamy do opisu przemiany alfa” – mówi Aleksander Augustyn.

Dlaczego fizyków interesuje jądro istniejące tak krótko

Badania nad tellurem-104 nie dotyczą wyłącznie jednego egzotycznego izotopu. Dla fizyków są sposobem na lepsze zrozumienie najcięższych jąder atomowych, jakie można stworzyć.

Pierwiastki znajdujące się na końcu układu okresowego nie występują naturalnie na Ziemi. Powstają pojedynczo w laboratoriach, a ich jądra rozpadają się błyskawicznie. Naukowcy nie mogą zajrzeć do ich wnętrza bezpośrednio. Mogą jedynie analizować produkty rozpadu i na tej podstawie odtwarzać ich strukturę. Rozpad alfa jest jednym z najważniejszych narzędzi takich badań. Im lepiej fizycy rozumieją mechanizm emisji cząstki alfa, tym dokładniej mogą opisywać własności najcięższych znanych pierwiastków oraz przewidywać istnienie kolejnych.

To między innymi dlatego od lat trwa poszukiwanie tak zwanej wyspy stabilności. Według teorii gdzieś wśród bardzo ciężkich pierwiastków mogą istnieć jądra znacznie trwalsze od tych znanych obecnie. Nie byłyby stabilne w zwykłym znaczeniu tego słowa, ale mogłyby istnieć sekundy, godziny, a być może nawet dłużej zamiast ułamków sekundy. Aby sprawdzić te przewidywania, potrzebne są coraz dokładniejsze modele opisujące zachowanie protonów i neutronów wewnątrz jąder.

„Ważne jest również to, że w ambitnych międzynarodowych projektach badawczych uczestniczą młodzi naukowcy z NCBJ. Aleksander Augustyn, współautor publikacji w Nature dotyczącej telluru-104, jest doktorantem IV roku Szkoły Doktorskiej NCBJ. Jego przykład pokazuje, że nasi doktoranci nie tylko zdobywają doświadczenie w projektach prowadzonych na najwyższym światowym poziomie, ale realnie i aktywnie współuczestniczą w badaniach przesuwających granice współczesnej fizyki” – podkreśla prof. Agnieszka Pollo, zastępca dyrektora ds. naukowych Narodowego Centrum Badań Jądrowych.

Autorzy publikacji planują już kolejne eksperymenty. Chcą jeszcze dokładniej zmierzyć energię rozpadu oraz sam proces powstawania cząstki alfa. Tellur-104 istnieje przez zaledwie kilka miliardowych części sekundy, ale może dostarczyć odpowiedzi na pytania, które fizycy zadają sobie od dziesięcioleci.

Źródła:

• Cox I. i in., „Superallowed α decay of 104Te and the doubly magic nature of 100Sn”, „Nature” (2026)

• aktualności
• Nauki ścisłe i nauki o Ziemi