Όταν τα πρωτόνια και τα νετρόνια (νουκλεόνια) συνδέονται σε ατομικούς πυρήνες, είναι αρκετά κοντά ώστε να αισθάνονται σημαντική έλξη ή απώθηση. Οι ισχυρές αλληλεπιδράσεις μέσα τους οδηγούν σε σκληρές συγκρούσεις μεταξύ νουκλεονίων.
Ενώ μελετούσαν αυτές τις ενεργειακές συγκρούσεις σε πυρήνες φωτός μέσω μιας νέας τεχνικής, οι φυσικοί βρήκαν κάτι εκπληκτικό: τα πρωτόνια συγκρούονται με τα άλλα πρωτόνια και τα νετρόνια με τους άλλους νετρόνια πιο συχνά από το αναμενόμενο.
Σε προηγούμενη έρευνα, οι επιστήμονες εξέτασαν ενεργητικές συγκρούσεις δύο νουκλεονίων σε μικρό αριθμό πυρήνων, που κυμαίνονταν από μόλυβδο (12 νουκλεόνια) έως άνθρακα (12 νουκλεόνια) (με 208). Συνεπή ευρήματα έδειξαν ότι οι συγκρούσεις πρωτονίων-νετρονίων αντιπροσώπευαν πάνω από το 95% όλων των συγκρούσεων, με τις συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου και νετρονίων-νετρονίων να αποτελούν το υπόλοιπο 5%.
Σε ένα νέο πείραμα, οι φυσικοί μελέτησαν τις συγκρούσεις σε δύο «πυρήνες καθρέφτη» με τρία νουκλεόνια ο καθένας. Βρήκαν ότι οι συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου και νετρονίων-νετρονίων ήταν υπεύθυνες για ένα πολύ μεγαλύτερο μερίδιο του συνόλου - περίπου 20%.
Μια διεθνής ομάδα ανακάλυψε επιστήμονες, συμπεριλαμβανομένων ερευνητών από το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley του Τμήματος Ενέργειας (Εργαστήριο Berkeley). Για τη μελέτη, χρησιμοποίησαν το Continuous Electron Beam Accelerator Facility στο DOE's National Accelerator Facility (Jefferson Lab) στη Βιρτζίνια.
Στους περισσότερους ατομικούς πυρήνες, τα νουκλεόνια περνούν περίπου το 20% της ζωής τους σε διεγερμένες καταστάσεις υψηλής ορμής που προκύπτουν από συγκρούσεις δύο νουκλεονίων. Η μελέτη αυτών των συγκρούσεων απαιτεί ζάπινγκ πυρήνων με δέσμες ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας. Στη συνέχεια, μετρώντας την ενέργεια και τη γωνία ανάκρουσης ενός διάσπαρτου ηλεκτρονίου, οι επιστήμονες συμπέραναν την ταχύτητα με την οποία το νουκλεόνιο που χτύπησε πρέπει να κινούνταν.
Ο John Arrington, επιστήμονας του Berkeley Lab, είναι ένας από τους τέσσερις εκπροσώπους της συνεργασίας, είπε: «Αυτό τους επιτρέπει να διακρίνουν γεγονότα στα οποία ένα ηλεκτρόνιο διασκορπίστηκε από ένα πρωτόνιο υψηλής ορμής που προσφάτως συγκρούστηκε με ένα άλλο νουκλεόνιο».
Αυτές οι συγκρούσεις ηλεκτρονίου-πρωτονίου έχουν ένα εισερχόμενο ηλεκτρόνιο με αρκετή ενέργεια για να απομακρύνει πλήρως το διεγερμένο πρωτόνιο από τον πυρήνα. Το δεύτερο νουκλεόνιο διαφεύγει επίσης από τον πυρήνα επειδή αυτό διαταράσσει την αλληλεπίδραση που μοιάζει με ελαστική ταινία που συνήθως κρατά το συναρπαστικό ζεύγος νουκλεονίων στη θέση του.
Η προηγούμενη έρευνα για τις συγκρούσεις δύο σωμάτων επικεντρώθηκε σε γεγονότα σκέδασης όπου παρατηρήθηκαν το ηλεκτρόνιο που αναπηδούσε και τα δύο νουκλεόνια που εκδιώχθηκαν. Προσθέτοντας ετικέτες σε όλα τα σωματίδια, θα μπορούσαν να προσδιορίσουν τον σχετικό αριθμό ζευγών πρωτονίου-πρωτονίου και πρωτόνιο-νετρόνιο ζεύγη. Ωστόσο, καθώς αυτά τα συμβάντα «τριπλής σύμπτωσης» είναι εξαιρετικά ασυνήθιστα, η προσεκτική εξέταση τυχόν πρόσθετων αλληλεπιδράσεων μεταξύ νουκλεονίων που μπορούν να επηρεάσουν τον αριθμό ήταν απαραίτητη για την ανάλυση.
Οι πυρήνες καθρέφτη ενισχύουν την ακρίβεια
Στη νέα μελέτη, οι φυσικοί έδειξαν έναν τρόπο να καθορίσουν τον σχετικό αριθμό των ζευγών πρωτονίου-πρωτονίου και πρωτονίου-νετρονίου χωρίς να ανιχνεύσουν τα νουκλεόνια που εκτοξεύθηκαν. Μέτρηση της σκέδασης από δύο «πυρήνες καθρέφτη» με τον ίδιο αριθμό νουκλεονίων—τρίτιο, ένα σπάνιο ισότοπο υδρογόνου με ένα πρωτόνιο και δύο νετρόνια, και ήλιο-3, που έχει δύο πρωτόνια και ένα νετρόνιο—ήταν το κόλπο. Το ήλιο-3 μοιάζει ακριβώς με το τρίτιο με τα πρωτόνια και τα νετρόνια που ανταλλάσσονται, και αυτή η συμμετρία επέτρεψε στους φυσικούς να διακρίνουν τις συγκρούσεις που περιλαμβάνουν πρωτόνια από τα νετρόνια συγκρίνοντας τα δύο σύνολα δεδομένων τους.
Οι φυσικοί άρχισαν να εργάζονται σε κατοπτρικούς πυρήνες αφού σχεδίασαν να αναπτύξουν μια κυψέλη αερίου τριτίου για πειράματα σκέδασης ηλεκτρονίων. Αυτή είναι η πρώτη χρήση αυτού του σπάνιου και ιδιοσυγκρασιακού ισοτόπου εδώ και δεκαετίες.
Μέσω αυτού του πειράματος, οι επιστήμονες συνέλεξαν περισσότερα δεδομένα από ό,τι σε προηγούμενα πειράματα. Ως εκ τούτου, θα μπορούσαν να βελτιώσουν την ακρίβεια των προηγούμενων μετρήσεων κατά ένα συντελεστή δέκα.
Δεν είχαν λόγο να περιμένουν ότι οι συγκρούσεις δύο νουκλεονίων θα λειτουργούσαν διαφορετικά στο τρίτιο και το ήλιο-3 από ό,τι σε βαρύτερους πυρήνες, επομένως τα αποτελέσματα ήταν αρκετά εκπληκτικά.
Arrington είπε, «Το διαυγές ήλιο-3 του είναι διαφορετικό από τους βαρείς πυρήνες που μετρήθηκαν. Θέλουμε να πιέσουμε για πιο ακριβείς μετρήσεις σε άλλους ελαφρούς πυρήνες για να δώσουμε μια οριστική απάντηση».
Αναφορά στο περιοδικό:
- Li, S., Cruz-Torres, R., Santiesteban, Ν. et αϊ. Αποκάλυψη της δομής μικρής εμβέλειας των κατοπτρικών πυρήνων 3H και 3He. Φύση 609, 41–45 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05007-2
