Kui prootonid ja neutronid (nukleonid) on seotud aatomituumadega, on need piisavalt lähedal, et tunda märkimisväärset külgetõmmet või tõrjumist. Tugev interaktsioon nende sees põhjustab nukleonide vahelisi raskeid kokkupõrkeid.
Uurides neid kergete tuumade energeetilist kokkupõrget uue tehnika abil, leidsid füüsikud midagi üllatavat: prootonid põrkuvad oma prootonitega ja neutronid oma kaasprootonitega. neutronid oodatust sagedamini.
Varasemates uuringutes uurisid teadlased energilisi kahe nukleoni kokkupõrkeid väikeses arvus tuumades, alates pliist (12 nukleoni) kuni süsinikuni (12 nukleoni) (208 tuumaga). Järjekindlad leiud näitasid, et prootoni-neutroni kokkupõrked moodustasid üle 95% kõigist kokkupõrgetest ning prootoni-prootoni ja neutron-neutron kokkupõrked moodustasid ülejäänud 5%.
Uues katses uurisid füüsikud kokkupõrkeid kahes "peegeltuumas", milles kummaski oli kolm nukleoni. Nad leidsid, et prootoni-prootoni ja neutron-neutron kokkupõrked põhjustasid palju suurema osa koguarvust - ligikaudu 20%.
Rahvusvaheline meeskond avastas teadlased, sealhulgas teadlased Energeetikaosakonna Lawrence Berkeley riiklik laboratoorium (Berkeley labor). Uuringu jaoks kasutasid nad Virginias DOE Thomas Jeffersoni riikliku kiirendi (Jefferson Lab) pidevat elektronkiirte kiirendit.
Enamikus aatomituumades veedavad nukleonid umbes 20% oma elust suure impulsiga ergastatud olekus, mis on tingitud kahe nukleoni kokkupõrkest. Nende kokkupõrgete uurimine nõuab tuumade ühendamist suure energiaga elektronkiirtega. Seejärel tegid teadlased hajutatud elektroni energiat ja tagasilööginurka mõõtes järeldades kiirust, millega see tabanud nukleon pidi liikuma.
John Arrington, Berkeley Labi teadlane, on üks neljast koostöö eestkõnelejast, ütles: "See võimaldab neil valida sündmusi, mille käigus elektron hajutas suure hooga prootoni, mis põrkas hiljuti kokku teise nukleoniga."
Nendel elektron-prootoni kokkupõrgetel on sissetulev elektron, millel on piisavalt energiat, et ergastatud täielikult eemaldada prooton tuumast. Ka teine nukleon pääseb tuumast välja, kuna see häirib kummipaelalaadset interaktsiooni, mis tavaliselt põnevat nukleonipaari paigal hoiab.
Varasemad uuringud kahe keha kokkupõrgete kohta keskendusid hajumise sündmustele, kus täheldati tagasilöögi elektroni ja mõlemat väljutatud nukleone. Kõiki osakesi märgistades saaksid nad määrata prootoni-prootoni paaride suhtelise arvu ja prooton-neutron paarid. Kuna need "kolmekordse kokkulangemise" sündmused on aga äärmiselt haruldased, oli analüüsi jaoks vaja hoolikalt kaaluda kõiki täiendavaid nukleonidevahelisi koostoimeid, mis võivad loendust mõjutada.
Peegli tuumad suurendavad täpsust
Uues uuringus näitasid füüsikud viisi, kuidas määrata prootoni-prootoni ja prooton-neutronpaaride suhteline arv ilma väljutatud nukleoneid tuvastamata. Hajumis mõõtmine kahest sama arvu nukleonidega "peegeltuumast" - triitium, haruldane vesiniku isotoop, millel on üks prooton ja kaks neutronit, ja helium-3, millel on kaks prootonit ja üks neutron – oli trikk. Heelium-3 näeb välja nagu triitium, mille prootonid ja neutronid on vahetatud, ning see sümmeetria võimaldas füüsikutel eristada prootonite ja neutronitega seotud kokkupõrkeid, võrreldes nende kahte andmekogumit.
Füüsikud hakkasid peegeltuumade kallal töötama pärast seda, kui olid plaaninud välja töötada triitiumi gaasielemendi elektronide hajumise katsete jaoks. See on selle haruldase ja temperamentse isotoobi esimene kasutuskord aastakümnete jooksul.
Selle katsega kogusid teadlased rohkem andmeid kui eelmistes katsetes. Seega võivad need parandada eelmiste mõõtmiste täpsust kümnekordselt.
Neil ei olnud põhjust eeldada, et kahe nukleoni kokkupõrked toimivad triitiumis ja heelium-3s teisiti kui raskemates tuumades, nii et tulemused olid üsna üllatavad.
arrington ütles, "Selle selge heelium-3 erineb peotäiest mõõdetud rasketest tuumadest. Me tahame taotleda täpsemaid mõõtmisi teiste kergete tuumade puhul, et saada lõplik vastus.
Ajakirja viide:
- Li, S., Cruz-Torres, R., Santiesteban, N. jt. Peegli tuumade 3H ja 3He lähistruktuuri paljastamine. loodus 609, 41–45 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05007-2
