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 в звездном нуклеосинтезе , поскольку создает узкое место в создании более тяжелых химических элементов . Свойства 8 Be также привели к предположениям о тонкой настройке Вселенной , и теоретические исследования космологической эволюции, если бы 8 Be был стабильным.
Открытие бериллия-8 произошло вскоре после создания первого ускорителя частиц в 1932 году. Физики Джон Дуглас Кокрофт и Эрнест Уолтон провели свой первый эксперимент со своим ускорителем в Кавендишской лаборатории в Кембридже , в котором они облучали 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 было сделано предположение, что она исходит от 8 Be. [3]
Бериллий-8 не связан относительно альфа-излучения на 92 кэВ; это резонанс шириной 6 эВ. [4] Ядро гелия-4 особенно стабильно, имеет дважды магическую конфигурацию и большую энергию связи на нуклон, чем 8Be . Поскольку полная энергия 8Be больше, чем у двух альфа-частиц , распад на две альфа-частицы энергетически выгоден, [5] а синтез 8Be из двух ядер 4He является эндотермическим. Распад 8Be облегчается структурой ядра 8Be ; оно сильно деформировано и, как полагают, представляет собой молекулярный кластер из двух альфа-частиц, которые очень легко разделяются. [6] [7] Кроме того, в то время как другие альфа-нуклиды имеют подобные короткоживущие резонансы, 8Be в исключительных случаях уже находится в основном состоянии . Несвязанная система из двух α-частиц имеет низкую энергию кулоновского барьера , что позволяет ей существовать в течение любого значительного периода времени. [ 8] А именно, 8Be распадается с периодом полураспада 8,19 × 10−17 секунд. [9]
Бериллий-8 — единственный нестабильный нуклид с одинаковым четным числом протонов и нейтронов ≤ 20. Он также является одним из двух нестабильных нуклидов (другой — гелий-5 ) с массовым числом ≤ 143, которые стабильны как к бета-распаду, так и к двойному бета-распаду .
Существует также несколько возбужденных состояний 8Be , все из которых являются короткоживущими резонансами – с шириной до нескольких МэВ и различными изоспинами – которые быстро распадаются до основного состояния или на две альфа-частицы. [10]
Эксперимент 2015 года Аттилы Краснахоркай и др. в Институте ядерных исследований Венгерской академии наук обнаружил аномальные распады в возбужденных состояниях 17,64 и 18,15 МэВ 8 Be, заселенных протонным облучением 7 Li. Наблюдался избыток распадов, создающих электронно - позитронные пары под углом 140° с общей энергией 17 МэВ. Джонатан Фэн и др. приписывают эту аномалию 6,8- σ 17 МэВ протофобному X- бозону , названному частицей X17 . Этот бозон будет посредником пятой фундаментальной силы, действующей на коротком расстоянии (12 фм ), и, возможно, объяснит распад этих возбужденных состояний 8 Be. [10] Повтор этого эксперимента в 2018 году обнаружил то же самое аномальное рассеяние частиц и установил более узкий диапазон масс предполагаемого пятого бозона,17,01 ± 0,16 МэВ/c2 . [ 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 5He и 5Li , 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 бериллий-8 сталкивается с ядром гелия-4 до распада, они могут слиться в ядро углерода-12 . Эта реакция была впервые теоретически обоснована независимо друг от друга Эпиком [14] и Солпитером [15] в начале 1950-х годов.
Из-за нестабильности 8 Be, тройной альфа-процесс является единственной реакцией, в которой 12 C и более тяжелые элементы могут быть получены в наблюдаемых количествах. Тройной альфа-процесс, несмотря на то, что является реакцией трех тел, облегчается, когда производство 8 Be увеличивается таким образом, что его концентрация составляет приблизительно 10 −8 относительно 4 He; [16] это происходит, когда 8 Be производится быстрее, чем распадается. [17] Однако этого одного недостаточно, поскольку столкновение между 8 Be и 4 He, скорее всего, разрушит систему, а не обеспечит синтез; [18] скорость реакции все равно не будет достаточно высокой, чтобы объяснить наблюдаемое обилие 12 C. [1] Таким образом , в 1954 году Фред Хойл постулировал существование резонанса в углероде-12 в пределах звездной энергетической области тройного альфа-процесса, усиливая создание углерода-12, несмотря на чрезвычайно короткий период полураспада бериллия-8. [19] Существование этого резонанса ( состояния Хойла ) было подтверждено экспериментально вскоре после этого; его открытие было упомянуто в формулировках антропного принципа и гипотезы тонко настроенной Вселенной. [20] [21]
Поскольку бериллий-8 не связан всего лишь 92 кэВ, предполагается, что очень небольшие изменения ядерного потенциала и тонкая настройка определенных констант (таких как α, постоянная тонкой структуры ), могут достаточно увеличить энергию связи 8Be , чтобы предотвратить его альфа-распад, тем самым сделав его стабильным . Это привело к исследованиям гипотетических сценариев, в которых 8Be стабилен, и предположениям о других вселенных с другими фундаментальными константами. [1] Эти исследования предполагают, что исчезновение узкого места [20], созданного 8Be , приведет к совершенно иному механизму реакции в нуклеосинтезе Большого взрыва и процессе тройной альфа, а также изменит распространенность 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 значительной разницы в производстве углерода, даже если бы 8Be был стабилен. [8] Однако стабильный 8 Be позволил бы альтернативным путям реакции в горении гелия (таким как 8 Be + 4 He и 8 Be + 8 Be; составляя фазу «горения бериллия») и, возможно, повлиял бы на распространенность результирующих 12 C, 16 O и более тяжелых ядер, хотя 1 H и 4 He остались бы наиболее распространенными нуклидами. Это также повлияло бы на звездную эволюцию через более раннее начало и более высокую скорость горения гелия (и горения бериллия), и привело бы к другой главной последовательности, чем наша Вселенная. [1]