Cuando los protones y los neutrones (nucleones) se unen a los núcleos atómicos, están lo suficientemente cerca como para sentir una atracción o repulsión significativa. Las fuertes interacciones dentro de ellos conducen a fuertes colisiones entre los nucleones.
Mientras estudiaban estas colisiones energéticas en núcleos ligeros a través de una nueva técnica, los físicos encontraron algo sorprendente: los protones chocan con sus compañeros protones y los neutrones con sus compañeros. neutrones más a menudo de lo esperado.
En investigaciones anteriores, los científicos examinaron colisiones energéticas de dos nucleones en un pequeño número de núcleos, que van desde el plomo (12 nucleones) hasta el carbono (12 nucleones) (con 208). Hallazgos consistentes mostraron que las colisiones protón-neutrón representaron más del 95 % de todas las colisiones, y las colisiones protón-protón y neutrón-neutrón constituyeron el 5 % restante.
En un nuevo experimento, los físicos estudiaron colisiones en dos "núcleos de espejo" con tres nucleones cada uno. Descubrieron que las colisiones protón-protón y neutrón-neutrón eran responsables de una proporción mucho mayor del total, aproximadamente el 20%.
Un equipo internacional descubrió a científicos, incluidos investigadores de la Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Laboratorio de Berkeley). Para el estudio, utilizaron la Instalación Aceleradora de Haz de Electrones Continuos en la Instalación Aceleradora Nacional Thomas Jefferson del DOE (Jefferson Lab) en Virginia.
En la mayoría de los núcleos atómicos, los nucleones pasan alrededor del 20% de sus vidas en estados excitados de alto momento resultantes de colisiones de dos nucleones. Estudiar estas colisiones requiere zapping núcleos con haces de electrones de alta energía. Luego, al medir la energía y el ángulo de retroceso de un electrón disperso, los científicos dedujeron la velocidad a la que el nucleón que golpeó debe haberse estado moviendo.
John Arrington, científico de Berkeley Lab, es uno de los cuatro portavoces de la colaboración, dijo: “Esto les permite identificar eventos en los que un electrón se dispersó de un protón de alto impulso que chocó recientemente con otro nucleón”.
Estas colisiones electrón-protón tienen un electrón entrante con suficiente energía para eliminar completamente el excitado. protón del núcleo. El segundo nucleón también escapa del núcleo porque esto interrumpe la interacción similar a una banda elástica que generalmente mantiene en su lugar al par de nucleones excitantes.
Investigaciones anteriores sobre colisiones de dos cuerpos se concentraron en eventos de dispersión donde se observaron el electrón que rebota y ambos nucleones expulsados. Al marcar todas las partículas, pudieron determinar el número relativo de pares protón-protón y protón-neutrón pares Sin embargo, dado que estos eventos de "triple coincidencia" son extremadamente poco comunes, para el análisis fue necesario considerar cuidadosamente cualquier interacción adicional entre los nucleones que pueda afectar el recuento.
Los núcleos de espejo aumentan la precisión
En el nuevo estudio, los físicos demostraron una forma de establecer el número relativo de pares protón-protón y protón-neutrón sin detectar los nucleones expulsados. Medición de la dispersión de dos "núcleos de espejo" con el mismo número de nucleones: tritio, un isótopo de hidrógeno raro con un protón y dos neutrones, y helio-3, que tiene dos protones y un neutrón, era el truco. El helio-3 se parece al tritio con protones y neutrones intercambiados, y esta simetría permitió a los físicos distinguir las colisiones entre protones y neutrones al comparar sus dos conjuntos de datos.
Los físicos comenzaron a trabajar en núcleos de espejo después de planear desarrollar una celda de gas tritio para experimentos de dispersión de electrones. Este es el primer uso de este isótopo raro y temperamental en décadas.
A través de este experimento, los científicos recopilaron más datos que en experimentos anteriores. Por lo tanto, podrían mejorar la precisión de las mediciones anteriores por un factor de diez.
No tenían motivos para esperar que las colisiones de dos nucleones funcionaran de manera diferente en el tritio y el helio-3 que en los núcleos más pesados, por lo que los resultados fueron bastante sorprendentes.
Arrington dijo, “Su helio-3 transparente es diferente del puñado de núcleos pesados medidos. Queremos impulsar mediciones más precisas en otros núcleos ligeros para obtener una respuesta definitiva”.
Referencia de la revista:
- Li, S., Cruz-Torres, R., Santiesteban, N. et al. Revelando la estructura de corto alcance de los núcleos espejo 3H y 3He. Naturaleza 609, 41-45 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05007-2
