На Земле встречаются три разновидности этого элемента, отличающиеся друг от друга атомным весом. Самый распространенный изотоп углерод-12 и его более редкий родич с атомным весом 13 совершенно стабильны, в то время как ядра углерода-14 претерпевают бета-распад и превращаются в ядра основного изотопа азота. Углерод также имеет еще свыше десятка нестабильных изотопов, которые физики получают на ускорителях.
Период полураспада углерода-14 составляет 5730 лет. Это обстоятельство очень удобно для археологов, так как позволяет использовать его для радиоизотопной датировки предметов, содержащих органические вещества. Однако оно давно уже удивляет физиков-ядерщиков. Дело в том, что другие нестабильные изотопы со сходным атомным весом, такие, как углерод-11, азот-13 и кислород-15, распадаются куда быстрее – за часы или даже минуты.
Протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, скрепляются ядерными силами, которые возникают при обмене пи-мезонами. Эти силы либо непосредственно притягивают частицы друг к другу, либо ориентируются по другим направлениям. В первом случае их называют центральными, во втором – тензорными. В 1991 году американский физик Джеральд Браун и его соавтор из Франции Маннке Ро построили модель, которая позволила объяснить большое время жизни углерода-14 с помощью учета этих сил. Из нее следует, что у данного изотопа центральные и тензорные силы почти точно уравновешивают друг друга, из-за чего его ядра распадаются медленно. В ядрах радиоактивных соседей изотопа-14 эти силы, напротив, заметно различаются, и поэтому их ядра живут недолго.
Модель выглядела весьма убедительно, однако ее долгое время не удавалось подкрепить точными математическими вычислениями. Теперь этот пробел заполнен. Браун и его коллега по университету штата Нью-Йорк в Стони-Брук Джереми Холт выполнили расчеты, которые полностью подтвердили первоначальное объяснение. Их работа будет опубликована в журнале Physical Review Letters.