Бериллий-8 ( 8 Be , Be-8 ) — радионуклид с 4 нейтронами и 4 протонами . Это несвязанный резонанс и номинально изотоп бериллия . Он распадается на две альфа-частицы с периодом полураспада порядка 8,19 × 10-17 секунд . Это имеет важные последствия для звездного нуклеосинтеза , поскольку создает узкое место в создании более тяжелых химических элементов . Свойства 8 Be также привели к предположениям о тонкой настройке Вселенной , а теоретические исследования космологической эволюции показали, что 8 Be стабилен.
Открытие бериллия-8 произошло вскоре после постройки первого ускорителя частиц в 1932 году. Физики Джон Дуглас Кокрофт и Эрнест Уолтон провели свой первый эксперимент на своем ускорителе в Кавендишской лаборатории в Кембридже , в котором они облучили литий-7 протонами . Они сообщили, что это заселило ядро с A = 8, которое почти мгновенно распадается на две альфа-частицы. Эта активность наблюдалась снова несколько месяцев спустя и, как предполагалось, возникла из-за 8 Be. [3]
Бериллий-8 несвязан по альфа-излучению на 92 кэВ; это резонанс шириной 6 эВ. [4] Ядро гелия-4 особенно стабильно: оно имеет двойную магическую конфигурацию и большую энергию связи на нуклон , чем 8 Be. Поскольку полная энергия 8 Be больше, чем у двух альфа-частиц , распад на две альфа-частицы энергетически выгоден [5] , а синтез 8 Be из двух ядер 4 He является эндотермическим. Распаду 8 Be способствует структура ядра 8 Be; он сильно деформирован и, как полагают, представляет собой молекулообразный кластер из двух альфа-частиц, которые очень легко разделяются. [6] [7] Кроме того, в то время как другие альфа-нуклиды имеют подобные кратковременные резонансы, 8 Be исключительно уже находится в основном состоянии . Несвязанная система двух α-частиц имеет низкую энергию кулоновского барьера , что обеспечивает ее существование сколь угодно значительное время. [8] А именно, 8 Be распадается с периодом полураспада 8,19 × 10 −17 секунд. [9]
Бериллий-8 — единственный нестабильный нуклид с одинаковым четным числом протонов и нейтронов ≤ 20 . Это также один из двух нестабильных нуклидов (второй — гелий-5 ) с массовым числом ≤ 143, которые устойчивы как к бета-распаду , так и к двойному бета-распаду .
Есть также несколько возбужденных состояний 8 Be, все из которых являются короткоживущими резонансами, имеющими ширину до нескольких МэВ и изменяющиеся изоспины , которые быстро распадаются на основное состояние или на две альфа-частицы. [10]
Эксперимент 2015 года, проведенный Аттилой Красзнахоркаем и др. в Институте ядерных исследований Венгерской академии наук обнаружили аномальные распады в возбужденных состояниях 8 Be с энергией 17,64 и 18,15 МэВ, заселенных протонным облучением 7 Li. Наблюдался избыток распадов с образованием электрон - позитронных пар под углом 140° с суммарной энергией 17 МэВ. Джонатан Фенг и др. приписывают эту аномалию 6,8- σ протофобному Х- бозону с энергией 17 МэВ , получившему название частицы X17 . Этот бозон будет опосредовать пятую фундаментальную силу , действующую на коротком расстоянии (12 фм ), и, возможно, объяснит распад этих возбужденных состояний 8 Be. [10] Повторный эксперимент в 2018 году обнаружил такое же аномальное рассеяние частиц и установил более узкий диапазон масс предполагаемого пятого бозона:17,01 ± 0,16 МэВ/c 2 . [11] Хотя для подтверждения этих наблюдений необходимы дальнейшие эксперименты, влияние пятого бозона было предложено как «наиболее простая возможность». [12]
В звездном нуклеосинтезе два ядра гелия-4 могут столкнуться и слиться в одно ядро бериллия-8. Бериллий-8 имеет чрезвычайно короткий период полураспада (8,19 × 10-17 секунд) и распадается обратно на два ядра гелия-4. Это, наряду с несвязанной природой 5 He и 5 Li, создает узкое место в нуклеосинтезе Большого взрыва и звездном нуклеосинтезе [8] , поскольку это требует очень высокой скорости реакции. [13] Это препятствует образованию более тяжелых элементов в первом и ограничивает выход во втором процессе. Если перед распадом бериллий-8 сталкивается с ядром гелия-4, они могут слиться с ядром углерода-12 . Эта реакция была впервые независимо теоретизирована Опиком [14] и Солпитером [15] в начале 1950-х годов.
Из-за нестабильности 8 Be процесс тройного альфа является единственной реакцией, в которой 12 C и более тяжелые элементы могут образовываться в наблюдаемых количествах. Процесс тройного альфа, несмотря на то, что он является трехчастичной реакцией, облегчается, когда производство 8 Be увеличивается до такой степени, что его концентрация составляет примерно 10 -8 по сравнению с 4 He; В [16] это происходит, когда 8 Be образуется быстрее, чем распадается. [17] Однако одного этого недостаточно, поскольку столкновение между 8 Be и 4 He, скорее всего, приведет к разрушению системы, а не к возможности термоядерного синтеза; [18] скорость реакции все равно не была бы достаточно высокой, чтобы объяснить наблюдаемое содержание 12 C. [1] Таким образом , в 1954 году Фред Хойл постулировал существование резонанса в углероде-12 в звездной энергетической области тройного альфа процесс, ускоряющий образование углерода-12, несмотря на чрезвычайно короткий период полураспада бериллия-8. [19] Вскоре после этого существование этого резонанса ( состояния Хойла ) было подтверждено экспериментально; его открытие упоминалось в формулировках антропного принципа и гипотезы точной настройки Вселенной. [20] [21]
Поскольку бериллий-8 несвязан только с энергией 92 кэВ, предполагается, что очень небольшие изменения ядерного потенциала и точная настройка некоторых констант (таких как α, константа тонкой структуры ) могут достаточно увеличить энергию связи 8 Be, чтобы предотвратить его альфа-распад, что делает его стабильным . Это привело к исследованию гипотетических сценариев, в которых 8 Be стабилен, и к предположениям о других вселенных с другими фундаментальными константами. [1] Эти исследования предполагают, что исчезновение узкого места [20], созданного 8 Be, приведет к совершенно другому механизму реакции в нуклеосинтезе Большого взрыва и тройному альфа-процессу, а также к изменению содержания более тяжелых химических элементов. [4] Поскольку нуклеосинтез Большого взрыва произошел только в течение короткого периода времени при наличии необходимых условий, считается, что не было бы существенной разницы в производстве углерода, даже если бы 8 Be был стабильным. [8] Однако стабильный 8 Be может открыть альтернативные пути реакции при горении гелия (например, 8 Be + 4 He и 8 Be + 8 Be; составляющие фазу «горения бериллия») и, возможно, повлиять на содержание образующегося 12 C, 16 O и более тяжелые ядра, хотя 1 H и 4 He останутся наиболее распространенными нуклидами. Это также повлияет на эволюцию звезд из-за более раннего начала и более высокой скорости горения гелия (и горения бериллия) и приведет к иной главной последовательности , чем в нашей Вселенной. [1]