Нейтрид – міф чи реальність?

Уявіть собі речовину, позбавлену електричних зарядів, в якій, всупереч звичному, відсутні електрони та протони. Речовина, що складається з одних лише щільно упакованих нейтронів. Суперматеріал, надзвичайно щільний, стійкий проти всіх і будь-яких впливів, що не знає собі рівних по міцності і жаростійкості. Скафандр з такої речовини – її назвали нейтридом – зробить невразливим космонавта, що знаходиться у відкритому космосі під шквальним вогнем космічних променів. Ракета, покрита шаром нейтриду, здатна спуститися навіть на поверхню Сонця. Фантастика? Поки так.

Таємничий «нейтрид» дійсно винайшли письменники-фантасти. Але історія науки і техніки знає чимало прикладів, коли випереджаючи свій час думка заглядала за горизонти реальних можливостей науки. Людство здавна прагнуло створювати матеріали, яких немає в природі. Полімери, сплави, численні представники класу напівпровідників, різноманітні хімічні сполуки, тисячі найскладніших лікарських препаратів… Все це отримано в лабораторії.

Прагнення розширити рамки, відведені природою, торкнулося і таблиці хімічних елементів. Так що нейтрид народився не на порожньому місці. Але чи отримають коли-небудь люди цю речовину?

Як вірно було помічено, техніка майбутнього – це фізика сьогоднішнього дня. Тому, перш ніж будувати технічні прогнози, варто спробувати відповісти на питання: чи можливо в принципі створення речовини, позбавленої електричних зарядів, – нейтронної матерії?

Щільність атомних ядер близько 10¹⁴ г/см³, це максимальна природна щільність, відома на Землі, але ядра, як ми знаємо, дуже невеликі, вони займають приблизно стотисячну частину всього простору атома. Значить, в цілому речовина майже порожня. За допомогою дуже великих тисків вдається як би «спресувати» атоми і отримати речовини з щільністю 10^-10 г/см³. Правда, це вже межа для земних умов.

Нейтронна матерія набагато щільніше. Фактично це одне суцільне атомне ядро. У «звичайному» атомі електрони покликані компенсувати електричний заряд ядра. Нейтронній ж матерії, а точніше нейтронним ядрам, електрони не потрібні. Якщо такі ядра життєздатні, то вони зможуть дати початок і надщільній речовині.

Але тут конструкторів нейтрида чекає одна складність: у вільному стані — поза ядром атома — нейтрон може «прожити» лише близько тисячі секунд, а далі він відчуває добре відомий процес радіоактивного розпаду, перетворюючись в протон, електрон і антинейтрино. Однак стабільні ядра, куди обов’язково входять «радіоактивні» нейтрони, практично безсмертні. Що це означає? У спеціально поставлених експериментах час життя стабільних ядер оцінили величиною, більшою 10³⁰ років. Цифра, яку і астрономічною назвати важко. У всякому разі, вік нашого Всесвіту куди менше.

Висновок напрошується сам собою: в атомному ядрі, в полі дії ядерних сил нейтрон якимось чином стабілізується, заморожується.

Ядра атомів всіх хімічних елементів – це комбінації протонів і нейтронів. Саме комбінації. Виняток становить протон – ядро найлегшого хімічного елемента водню. Однак «біпротон» — ізотоп гелію без нейтронів живе близько 10^-22-10^-23 секунди, тобто виявляється нестабільним, хоча теорія в принципі не заперечує проти існування такої системи. Справа в тому, що ядерні сили, як кажуть фізики, зарядово-незалежні. Це означає, що чисто ядерна взаємодія між двома протонами, двома нейтронами або протоном і нейтроном однакова. У біпротона ж з ядерними силами починають конкурувати електричні, і ядро такого ізотопу гелію, не встигнувши народитися, буде буквально «роздерте» силами кулонівського відштовхування.

За оцінками, в природі може існувати близько 6 тисяч комбінацій протонів і нейтронів, 6 тисяч ізотопів, більшу частину яких ще належить відкрити! Але лише 280 з них лежать на вузькій, як лезо бритви, «доріжці стабільності». І варто трохи відійти від неї, змінивши співвідношення між числом протонів і нейтронів, як згустки матерії почнуть відчувати радіоактивний розпад.

Зі збільшенням маси стабільність ядер також падає. Останнє, непідвладне руйнівній дії часу ядро в періодичній таблиці належить вісмуту. Більш масивні елементи, як би не витримуючи власної ваги, прагнуть перетворитися в легкі. Щоб доповнити періодичну систему елементів, потрібна була, за словами академіка Г. М. Флерова, ювелірна робота, що сконцентрувала зусилля фізиків, хіміків, інженерів.

Але таблицю Менделєєва можна продовжити не тільки в напрямку синтезу і пошуку надважких елементів. Її можна і розширити, доповнивши ізотопами, які не відкидаються природою, але в силу своєї нестійкості не зберігаються. Адже за ті кілька мільярдів років, що існує наша планета, багато нестабільних і особливо короткоживучих ізотопів були просто «стерті» з лиця землі. Наприклад, у замикаючого природну періодичну таблицю урану може існувати 107 ізотопів. Ми ж знаємо поки лише про п’ятнадцять з них.

Така розширена, вірніше, «поглиблена» таблиця подібна бібліотечному каталогу. У неї, крім груп і рядів, є третій, «ізотопний» вимір. Знайомі нам клітини з символами хімічних елементів – не що інше, як осередки каталожних ящиків. А в них, немов картки з назвами книг, розсортовані потенційні ізотопи.

На жаль, у всьому цьому різноманітті ми не знайдемо нейтронної матерії. Її, мабуть, на нашій планеті в природному стані все-таки немає. Але це не означає, що і у всьому Всесвіті немає умов, де нейтрону, що знаходиться поза атомним ядром, не загрожував би процес радіоактивного розпаду. Адже не залишили ж вчені надію зустріти надважкі ядра в складі космічних променів. Правда, нейтронних ядер в космічних променях ніхто не виявив. Але у Всесвіті є так звані нейтронні зірки.

На певній стадії еволюції, у міру вигорання зоряного пального, під дією сил тяжіння зірка стискається. Її щільність може стати такою ж, як в ядерній речовині і навіть вище. А радіус зірки складе тоді приблизно 10 кілометрів. Дуже гаряча, дуже щільна, швидко рухома дзиґа – так можна було б уявити собі нейтронну зірку.

Фізичні умови в надрах нейтронних зірок незвичайні. Потужне гравітаційне поле буквально «вдавлює» електрони в протони, перетворюючи їх в нейтронну матерію, підкреслимо — стабільну. Причому в ролі стабілізатора виступають сили тяжіння. Речовина таких зірок складається з щільно упакованих нейтронів, а надра, як припускають, навіть з гіперонів, важких нестабільних частинок, час життя яких в тисячі мільярдів разів коротше, ніж у нейтронів. Для астрономів – це мініатюрна зірка, продукт еволюції зоряної матерії, для фізиків – гігантське атомне ядро, макроскопічна нейтронна крапля. У всякому разі, нейтронні зірки – це єдині відомі нам (поки!) об’єкти у Всесвіті, де суцільна ядерна речовина існує в макроскопічних кількостях.

Чи можна промоделювати на Землі окремі етапи еволюції зоряної матерії? Мова йде, звичайно, не про те, щоб створити мініатюрну нейтронну зірку в лабораторії. Але, можливо, вдасться отримати мікроскопічний згусток нейтронної матерії або просто окремі ядра, що складаються з одних нейтронів? Тим більше, що на відміну від ядер, повністю позбавлених нейтронів, ядра без протонів, на думку теоретиків, можуть існувати і на Землі. Наприклад, ядра, що складаються з 6, 8 і навіть 22 нейтронів, теоретиками вже розраховані. А деякі моделі допускають навіть надважкі нейтронні ядра з масовим числом 300.

Долю нейтронних ядер повинен вирішити експеримент. І ось перші результати. Досліди, поставлені французькими фізиками на одному з найбільших прискорювачів світу, вказали на присутність чисто нейтронних ядер серед продуктів ядерних розщеплень. Звичайно, ці екзотичні ядра ніхто не зафіксував – слідів в детекторах вони не залишають.

Нейтронні ядра спостерігаються побічно, за допомогою спеціального аналізу мішені, де вони повинні були зупинитися. Відкриттям це спостереження поки не стало – потрібні нові, більш переконливі експерименти.

Але якщо нейтронні ядра або краплі нейтронної матерії на Землі тільки допускаються теорією, то ядра, сильно збагачені нейтронами,— вже реальність. Рекордсменом серед нейтронно-надлишкових ядер виявився ізотоп Не-8. Для цього ізотопу характерно найвище співвідношення числа нейтронів і протонів, яке відомо в природі. А теоретично, передбачений ізотоп гелію, де два протони як би склеюють двадцять і навіть двадцять вісім нейтронів.

В останні роки зусиллями багатьох лабораторій світу таблиця ізотопів збагатилася шістдесятьма новими легкими ядрами, що лежать поблизу кордону ядерної стабільності. У «каталозі» з’явилися літій з вісьмома, кисень з шістнадцятьма, калій з тридцятьма двома нейтронами. Майже нейтронна матерія. Майже, тому що нечисленні, як би вкраплені в речовину цих ядер протони як і раніше грають роль своєрідного клею. Теоретики стверджують, що в деяких випадках від нього можна відмовитися. Експериментатори ж знайшли процес, в якому можуть утворитися практично всі ізотопи легких ядер, які тільки можливі в природі. Серед них – сильно збагачені нейтронами і чисто нейтронні ядра, якщо вони існують не тільки на кінчику пера теоретиків і в уяві фантастів.

Цей процес вже давно відомий і називається він фрагментацією ядер. Його суть така. Якщо атомні ядра бомбардувати частинками дуже високих енергій, то при розвалі ядер мішені виникають не тільки нуклони, з яких власне ядро і складається, не тільки мезони і гіперони, що неминуче народжуються при досить високих енергіях, але також і уламки атомних ядер. У таких реакціях можна отримати, звичайно, з різною ймовірністю – практично будь-які комбінації протонів і нейтронів: дейтони, ядра Н-3, Не-3, Не-4, Не-6, Не-8 і т.д. Ці ядерні осколки і називають фрагментами.

Вивчення процесу фрагментації, вперше розпочате в радієвому інституті імені В. Г. Хлопіна, дозволило не тільки збагатити таблицю ізотопів, а й промоделювати окремі етапи еволюції Всесвіту. Досліджуючи процеси, що супроводжуються вильотом фрагментів, можна спостерігати за поведінкою ядерної речовини при дуже високих температурах — сотні мільярдів градусів. Можливо, що таких температур в наш час в природі немає. У всякому разі, надра зірок значно «холодніше». Але цілком ймовірно, що подібні умови були характерні для речовини на ранніх стадіях розширення Всесвіту.

В її еволюції фрагментація ядер грає далеко не останню роль. Саме цим процесом пояснюється зміна складу космічних променів при їх тривалій подорожі через міжзоряне середовище. Зокрема, фрагментація відповідальна за те, що вміст легких елементів — літію, берилію, бору — в складі космічних променів в сотні тисяч разів перевищує їх концентрацію в земній речовині. Осколки ядер – фрагменти – вносять свою поправку і в ізотопний склад метеоритів.

Саме з фрагментацією зв’язуються надії фізиків на отримання нейтронних ядер, поки тільки ядер.

Але, на жаль любителів наукової фантастики, отримана в земних умовах речовина, сильно збагачена нейтронами, виявляється не такою вже щільною, як хотілося б. І ще менше нагадує «нутрощі» нейтронних зірок, де панують жахливі сили гравітації. Як правило, ядра, в яких нейтрони істотно переважають над протонами, виявляються надзвичайно «пухкими» в порівнянні зі звичайними. І головне – абсолютно нестійкими. Частки секунди, сплеск радіоактивних перетворень, і «майже нейтронна матерія» перестає існувати, не залишаючи практично ніякої надії на отримання фантастичного суперматеріалу. Треба сказати, ставлення до нейтриду у більшості фізиків скептичне. Однак конкретні прогнози – річ підступна: наука вже не раз спростовувала їх. І хто знає, чи не доведеться коли-небудь виділити в каталозі-таблиці елементів нову комірку. Для нейтриду.

Автор: А. Асовська, кандидат фізико-математичних наук.