Promieniotwórczość alfa należy do najdawniej poznanych zjawisk jądrowych. Badał ją już Ernest Rutherford pod koniec XIX wieku, zanim fizycy zrozumieli budowę jądra atomowego. W takim rozpadzie jądro emituje cząstkę alfa, czyli jądro helu złożone z dwóch protonów i dwóch neutronów. Mimo, że proces ten należy dziś już do podstaw fizyki, jedno z najważniejszych pytań pozostawało przez dekady otwarte: czy cząstka alfa istnieje w jądrze jako gotowy, chwilowo uformowany układ, zanim zostanie wyemitowana?

Sama emisja cząstki alfa jest opisywana przez mechanikę kwantową. Cząstka alfa musi pokonać barierę potencjału, która w klasycznej fizyce zatrzymałaby ją wewnątrz jądra. W świecie kwantowym możliwe jest jednak tunelowanie, czyli przejście przez barierę mimo braku klasycznie wystarczającej energii. Ten model dobrze opisuje czasy życia wielu jąder promieniotwórczych. Trudniejsze jest wyjaśnienie wcześniejszego etapu: w jaki sposób dwa protony i dwa neutrony układają się w jądrze w cząstkę alfa.

Szczególnie interesującym przypadkiem jest tellur-104. Można go traktować jako układ zbudowany z cyny-100 oraz cząstki alfa. Cyna-100 jest, jak to fizycy nazywają, jądrem podwójnie magicznym, czyli takim, w którym zarówno protony, jak i neutrony tworzą wyjątkowo stabilną konfigurację. W uproszczeniu przypomina to zamknięte, dobrze uporządkowane powłoki w jądrze atomowym. Jak podaje NCBJ w informacji prasowej, właśnie dlatego tellur-104 stanowi dla fizyków szczególnie dobry przypadek do badania, czy cząstka alfa może formować się przy takim stabilnym rdzeniu jeszcze przed rozpadem.

W pracy opublikowanej w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Nature” (doi: 10.1038/s41586-026-10581-w) międzynarodowy zespół badaczy przedstawił bezpośrednią obserwację przemiany alfa telluru-104. Badacze wyznaczyli jego czas półtrwania na 7,2 nanosekundy (miliardowej części sekundy), z niepewnością +2,3/−1,5 nanosekundy. Oznacza to, że jest to najszybszy znany emiter alfa ze stanu podstawowego. Zmierzono także energię cząstki alfa z tego rozpadu: 5,03 MeV (megaelektronowoltów), a energię całej przemiany oszacowano na 5,23 MeV.

Eksperyment wykonano w ośrodku RIKEN w Japonii. Badacze najpierw wytwarzali ksenon-108, który rozpada się do telluru-104, a ten następnie do cyny-100. Taki łańcuch rozpadów był niezbędny, ponieważ czas życia telluru jest bardzo krótki. W ciągu 124 godzin pomiaru zidentyfikowano jedynie 12 jąder ksenonu-108, z czego dziewięć skorelowano z późniejszymi rozpadami. Skala tego wyniku pokazuje, jak rzadkie i trudne do uchwycenia było badane zjawisko.

Wyniki wskazują na wyjątkowo duże prawdopodobieństwo wcześniejszego uformowania cząstki alfa w jądrze. Fizycy porównali tellur-104 z innymi znanymi emiterami alfa za pomocą wielkości nazywanej szerokością zredukowaną, która pozwala oddzielić wpływ tunelowania od samej gotowości jądra do emisji cząstki alfa. Tellur-104 wyróżnia się na tle znanych jąder jako przypadek o największej dotąd zaobserwowanej preformacji alfa.

Badania mają ogromne znaczenie dla modeli opisujących strukturę jąder atomowych, także bardzo ciężkich i superciężkich. Jak zaznacza w komunikacie prasowym NCBJ współautor publikacji Aleksander Augustyn (doktorant IV roku Szkoły Doktorskiej NCBJ), tak skrajny przypadek dostarcza danych potrzebnych do testowania teorii przemian alfa w jądrach, które można wytwarzać jedynie w wyspecjalizowanych laboratoriach. (PAP)

Nauka w Polsce

kmp/ agt/