A nátrium egy újonnan felfedezett változatának atommagjában 11 proton mellett 28 neutron található. A természetben előforduló leggyakoribb nátriumizotóphoz képest (amely 13 neutronnal rendelkezik) ez több mint kétszeres neutronmennyiséget jelent, amivel az elméleti modellek korábban egyáltalán nem számoltak lehetőségként.

A nátrium-39-et a japán RIKEN kutatói hozták létre, és bár csak néhány darabot állítottak elő a különleges izotópból, annak puszta léte is megkérdőjelezi az atommagok szerkezetről alkotott elméleti elképzelések többségét. És egyben azt is sugallja, hogy a csillagokban létrejövő elemek keletkezésének modellezése, ami egy új, nagyszabású létesítmény célja az Egyesült Államokban, nehezebb lesz, mint korábban gondolták.

A RIKEN szakértői központi részecskegyorsítójukban három évvel ezelőtt látták nyomát először egy nátrium-39 izotópnak. Ezt követően nagyobb sugárintenzitással, hosszabb időtartamra megismételték a kísérletet, hogy utánajárjanak a jelenségnek, mondja Kubo Tosijuki Kubo, a RIKEN atomfizikusa.

Kubo csapata egy kalcium-48 atommagokból álló nyalábbal célzott meg egy berillium célpontot, majd az interakció eredményeit egy BigRIPS nevű mágneslánc révén terelték kígyózó pályára. A kutatók úgy állították be ezt a pályát, hogy csak a nátrium-39 vagy a hasonló tömegű atommagok szlalomozhassanak át rajta. A pálya végén található detektor mérte a beérkező atommagok töltését, ami alapján a szakértők már könnyen meg tudták számolni az atommag protonjait és neutronjait. Összesen 500 billiárd kalcium-48 atommagot lőttek ki a célpontra, és kilenc darab nátrium-39 atommagot detektáltak a kísérlet során, írják most megjelent tanulmányukban.

A protonok és neutronok lehetséges atommagi kombinációinak megjósolása nem egyszerű feladat. A protonok és neutronok a pionoknak nevezett részecskék cseréjével tapadnak össze, és a kvantummechanika a jelek szerint előnyben részesíti azokat az atommagokat, amelyekben hasonló számú proton és neutron van. Az elektromosan töltött protonok azonban taszítják egymást, így az egyensúly némileg a kevesebb proton felé billen. Az atommagok mérete is sokféle, hiszen egyetlen protontól a több száz protonig és neutronig terjednek a változatok, és a különböző tömegtartományokban különböző elméleti megközelítések működnek jól.

A modellekben azonban közös, hogy ezek közül a legutóbbi időkig egyik alapján sem tűnt valószínűnek, hogy egy nátrium-39-hez hasonló összeállítás stabil lehet, mondja Brad Sherrill, a Michigani Állami Egyetem atomfizikusa, a tanulmány egyik szerzője. Witold Nazarewicz, Sherrill michigani kollégája 2 évvel ezelőtt egy átdolgozott, a korábbi modellekre épülő, átfogó modell alapján ugyanakkor már 50 százalékos valószínűséggel jelezte előre a nátrium-39 létezését. Így a kísérleti eredmény immár nem jelent teljes meglepetést, de így is nagyon fontos, mondja Nazarewicz.

A szakértő szerint a nátrium-39 fontos részlettel bővíti a magfizikai családfát. A szakértők az ismert atommagokat egy négyzetrácsos táblázatban rendszerezik, ahol a protonok száma függőleges irányban emelkedik, a neutronok száma pedig balról jobbra növekszik. Az ismert atommagok egy átlós, széles sávot alkotnak ezen az ábrán, amelynek alsó szélét neutronleszakadási-határnak nevezik. Ez jelöli azt a határt, amelyen túl már lehetetlen több neutront zsúfolni egy adott protonszámú atommagba. A határ pontos helye azonban egyelőre csak a neonig, a 10. elemig ismert.

A neutronleszakadási-határ már korábban is szolgált meglepetésekkel. Például az oxigén (8. elem) 16 neutronjához képest a fluornál (9. elem) 22 neutronig ugrik. Az ilyen ugrások megmagyarázásához az elméletalkotók immár nemcsak az atommagban lévő proton- és neutronpárokat, hanem a hármas részecskeegyüttesek közötti erőket is figyelembe veszik, mondja Sherrill. Hasonló, egyelőre megmagyarázhatatlan rejtély ugyanakkor az is, hogy a határ miért ugrik négy neutront a neon-34 a nátrium-39 között.

Az új eredmények megnehezíthetik a fizikusok egyik fontos célját. A vasnál nehezebb elemek fele szupernóva-robbanásokban keletkezik, amikor az atommagok gyors ütemben elnyelik a robbanás során kiáramló neutronokat. A folyamat során keletkező atommagok pontos azonosítását egy új michigani lineáris gyorsítóban (FRIB) próbálják elvégezni. Ha viszont leszakadási határ ilyen kiszámíthatatlanul viselkedik, és egyre távolabb kerül a várthoz képest, akkor nehezebb lesz előállítani a lehetséges kombinációkat, mondja Sherrill. A májusban üzemelni kezdett FRIB-bel egyébként elsőként a nátrium-39 közelében lévő atommagokat vizsgálnak, ami a mostani eredmény szempontjából különösen izgalmas lehet.