Når protoner og neutroner (nukleoner) er bundet til atomkerner, er de tæt nok til at føle betydelig tiltrækning eller frastødning. Stærke interaktioner inden i dem fører til hårde kollisioner mellem nukleoner.
Mens de studerede disse energiske kollisioner i lette kerner via en ny teknik, fandt fysikere noget overraskende: protoner kolliderer med deres medprotoner og neutroner med deres medmennesker neutroner oftere end forventet.
I tidligere forskning undersøgte forskere energiske to-nukleon-kollisioner i et lille antal kerner, lige fra bly (12 nukleoner) til kulstof (12 nukleoner) (med 208). Overensstemmende resultater viste, at proton-neutron-kollisioner tegnede sig for over 95% af alle kollisioner, hvor proton-proton- og neutron-neutron-kollisioner udgjorde de resterende 5%.
I et nyt eksperiment studerede fysikere kollisioner i to "spejlkerner" med tre nukleoner hver. De fandt ud af, at proton-proton- og neutron-neutron-kollisioner var ansvarlige for en meget større andel af det samlede antal - omkring 20%.
Et internationalt hold opdagede videnskabsmænd, herunder forskere fra Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Til undersøgelsen brugte de Continuous Electron Beam Accelerator Facility på DOE's Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) i Virginia.
I de fleste atomkerner tilbringer nukleoner omkring 20% af deres liv i exciterede tilstande med højt momentum som følge af to-nukleonkollisioner. At studere disse kollisioner kræver zapping af kerner med højenergielektronstråler. Derefter, ved at måle en spredt elektrons energi og rekylvinkel, udledte forskerne den hastighed, hvormed nukleonen, den ramte, måtte have bevæget sig.
John Arrington, en Berkeley Lab-forsker, er en af fire talsmænd for samarbejdet, sagde: "Dette sætter dem i stand til at udvælge begivenheder, hvor en elektron spredte sig fra en højmomentum proton, der for nylig kolliderede med en anden nukleon."
Disse elektron-proton-kollisioner har en indkommende elektron med tilstrækkelig energi til fuldstændigt at fjerne den exciterede proton fra kernen. Den anden nukleon undslipper også kernen, fordi dette forstyrrer den gummibåndlignende interaktion, der normalt holder det spændende nukleonpar på plads.
Tidligere forskning i to-kropskollisioner koncentrerede sig om spredningsbegivenheder, hvor den rebounding elektron og begge udstødte nukleoner blev observeret. Ved at mærke alle partiklerne kunne de bestemme det relative antal proton-proton-par og proton-neutron par. Men da disse "tredobbelte sammenfald"-hændelser er yderst usædvanlige, var det nødvendigt at foretage en omhyggelig overvejelse af eventuelle yderligere interaktioner mellem nukleoner, der kan påvirke optællingen.
Spejlkerner øger præcisionen
I den nye undersøgelse demonstrerede fysikere en måde at fastslå det relative antal proton-proton- og proton-neutron-par uden at detektere de udstødte nukleoner. Måling af spredning fra to "spejlkerner" med det samme antal nukleoner - tritium, en sjælden brintisotop med en proton og to neutroner, og helium-3, som har to protoner og en neutron - var tricket. Helium-3 ligner tritium med protoner og neutroner ombyttet, og denne symmetri gjorde det muligt for fysikere at skelne kollisioner, der involverer protoner, fra neutroner ved at sammenligne deres to datasæt.
Fysikere begyndte at arbejde på spejlkerner efter at have planlagt at udvikle en tritiumgascelle til elektronspredningsforsøg. Dette er den første brug af denne sjældne og temperamentsfulde isotop i årtier.
Gennem dette eksperiment indsamlede forskere flere data end i tidligere eksperimenter. Derfor kunne de forbedre præcisionen af tidligere målinger med en faktor på ti.
De havde ikke grund til at forvente, at to-nukleonkollisioner ville fungere anderledes i tritium og helium-3 end i tungere kerner, så resultaterne var ret overraskende.
Arrington sagde, "Dens klare helium-3 er forskellig fra den håndfuld tunge kerner, der er målt. Vi ønsker at presse på for mere præcise målinger på andre lette kerner for at give et endeligt svar."
Journal Reference:
- Li, S., Cruz-Torres, R., Santiesteban, N. et al. Afsløring af kortrækkende struktur af spejlkernerne 3H og 3He. Natur 609, 41-45 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05007-2
