Physiker fanden etwas Überraschendes, nachdem sie in leichte Kerne geblickt hatten

Wenn Protonen und Neutronen (Nukleonen) an Atomkerne gebunden sind, sind sie nahe genug, um eine deutliche Anziehung oder Abstoßung zu spüren. Starke Wechselwirkungen in ihnen führen zu harten Stößen zwischen Nukleonen.

Bei der Untersuchung dieser energetischen Kollisionen in leichten Kernen mit einer neuen Technik fanden Physiker etwas Überraschendes: Protonen kollidieren mit ihren Artgenossen und Neutronen mit ihren Artgenossen Neutronen häufiger als erwartet.

In früheren Forschungsarbeiten untersuchten Wissenschaftler energetische Zwei-Nukleonen-Kollisionen in einer kleinen Anzahl von Kernen, die von Blei (12 Nukleonen) bis Kohlenstoff (12 Nukleonen) (mit 208) reichten. Übereinstimmende Ergebnisse zeigten, dass Proton-Neutron-Kollisionen über 95 % aller Kollisionen ausmachten, wobei Proton-Proton- und Neutron-Neutron-Kollisionen die restlichen 5 % ausmachten.

In einem neuen Experiment untersuchten Physiker Kollisionen in zwei „Spiegelkernen“ mit jeweils drei Nukleonen. Sie fanden heraus, dass Proton-Proton- und Neutron-Neutron-Kollisionen für einen viel größeren Anteil der Gesamtsumme verantwortlich waren – etwa 20 %.

Ein internationales Team entdeckte Wissenschaftler, darunter Forscher aus der Lawrence Berkeley National Laboratory des Energieministeriums (Berkeley Labor). Für die Studie nutzten sie die Continuous Electron Beam Accelerator Facility der Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) des DOE in Virginia.

In den meisten Atomkernen verbringen Nukleonen etwa 20 % ihres Lebens in angeregten Zuständen mit hohem Impuls, die aus Zwei-Nukleonen-Kollisionen resultieren. Die Untersuchung dieser Kollisionen erfordert das Zappen von Kernen mit hochenergetischen Elektronenstrahlen. Dann schlossen Wissenschaftler aus der Messung der Energie und des Rückstoßwinkels eines gestreuten Elektrons die Geschwindigkeit, mit der sich das getroffene Nukleon bewegt haben muss.

John Arrington, ein Wissenschaftler des Berkeley Lab, ist einer von vier Sprechern der Zusammenarbeit, sagte: „Auf diese Weise können sie Ereignisse ausfindig machen, bei denen ein Elektron von einem Proton mit hohem Impuls gestreut wurde, das kürzlich mit einem anderen Nukleon kollidierte.“

Diese Elektron-Proton-Kollisionen haben ein ankommendes Elektron mit ausreichender Energie, um das angeregte vollständig zu entfernen Proton aus dem Kern. Auch das zweite Nukleon entkommt dem Kern, weil dies die gummibandartige Wechselwirkung stört, die normalerweise das anregende Nukleonenpaar an Ort und Stelle hält.

Frühere Forschungen zu Zweikörperkollisionen konzentrierten sich auf Streuereignisse, bei denen das zurückprallende Elektron und beide ausgestoßenen Nukleonen beobachtet wurden. Indem sie alle Partikel markierten, konnten sie die relative Anzahl der Proton-Proton-Paare bestimmen und Proton-Neutron Paare. Da diese „dreifachen Koinzidenz“-Ereignisse jedoch äußerst selten sind, war für die Analyse eine sorgfältige Berücksichtigung zusätzlicher Wechselwirkungen zwischen Nukleonen erforderlich, die die Zählung beeinflussen können.

Spiegelkerne erhöhen die Präzision

In der neuen Studie demonstrierten Physiker einen Weg, die relative Anzahl von Proton-Proton- und Proton-Neutron-Paaren zu bestimmen, ohne die ausgestoßenen Nukleonen nachzuweisen. Messung der Streuung an zwei „Spiegelkernen“ mit gleicher Nukleonenzahl – Tritium, ein seltenes Wasserstoffisotop mit einem Proton und zwei Neutronen, und Helium-3, das zwei Protonen und ein Neutron hat – war der Trick. Helium-3 sieht genauso aus wie Tritium mit vertauschten Protonen und Neutronen, und diese Symmetrie ermöglichte es den Physikern, Kollisionen mit Protonen von Neutronen zu unterscheiden, indem sie ihre beiden Datensätze verglichen.

Physiker begannen mit der Arbeit an Spiegelkernen, nachdem sie die Entwicklung einer Tritium-Gaszelle für Elektronenstreuexperimente geplant hatten. Dies ist die erste Verwendung dieses seltenen und temperamentvollen Isotops seit Jahrzehnten.

Durch dieses Experiment sammelten die Wissenschaftler mehr Daten als in früheren Experimenten. Damit könnten sie die Genauigkeit bisheriger Messungen um den Faktor zehn verbessern.

Sie hatten keinen Grund zu der Annahme, dass Zwei-Nukleonen-Kollisionen in Tritium und Helium-3 anders funktionieren würden als in schwereren Kernen, daher waren die Ergebnisse ziemlich überraschend.

Arrington sagte, „Sein klares Helium-3 unterscheidet sich von der Handvoll schwerer Kerne, die gemessen wurden. Wir wollen auf genauere Messungen an anderen leichten Kernen drängen, um eine endgültige Antwort zu erhalten.“

Journal Referenz:

1. Li, S., Cruz-Torres, R., Santiesteban, N. et al. Aufschluss über die Nahbereichsstruktur der Spiegelkerne 3H und 3He. Natur 609, 41–45 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05007-2