وقتی پروتون‌ها و نوترون‌ها (نوکلئون‌ها) به هسته‌های اتمی متصل می‌شوند، به اندازه‌ای نزدیک هستند که جاذبه یا دافعه قابل توجهی را احساس کنند. فعل و انفعالات قوی درون آنها منجر به برخوردهای سخت بین نوکلئون ها می شود.
فیزیکدانان در حین مطالعه این برخوردهای پرانرژی در هسته‌های نور از طریق تکنیکی جدید، به چیزی شگفت‌انگیز دست یافتند: برخورد پروتون‌ها با پروتون‌های دیگر و نوترون‌ها با همتایان خود. نوترون بیشتر از حد انتظار
در تحقیقات قبلی، دانشمندان برخوردهای پرانرژی دو نوکلئون را در تعداد کمی از هسته‌ها، از سرب (12 نوکلئون) تا کربن (12 نوکلئون) (با 208) بررسی کردند. یافته‌های ثابت نشان داد که برخوردهای پروتون-نوترون بیش از 95 درصد از برخوردها را تشکیل می‌دهند و برخورد پروتون-پروتون و نوترون-نوترون 5 درصد باقی مانده را تشکیل می‌دهند.
در یک آزمایش جدید، فیزیکدانان برخورد در دو "هسته آینه ای" با سه نوکلئون را مورد مطالعه قرار دادند. آنها دریافتند که برخورد پروتون- پروتون و نوترون- نوترون مسئول سهم بسیار بیشتری از کل - تقریباً 20٪ است.
یک تیم بین المللی دانشمندانی از جمله محققانی را کشف کردند آزمایشگاه ملی لارنس برکلی وزارت انرژی (آزمایشگاه برکلی). برای این مطالعه، آنها از تأسیسات شتاب دهنده پرتو الکترونی پیوسته در تأسیسات شتاب دهنده ملی توماس جفرسون DOE (آزمایشگاه جفرسون) در ویرجینیا استفاده کردند.
در بیشتر هسته‌های اتمی، نوکلئون‌ها حدود 20 درصد از عمر خود را در حالت‌های برانگیخته با تکانه بالا می‌گذرانند که ناشی از برخورد دو نوکلئون است. مطالعه این برخوردها مستلزم زاپینگ هسته ها با پرتوهای الکترونی پر انرژی است. سپس، دانشمندان با اندازه‌گیری انرژی الکترون پراکنده و زاویه پس‌کش، سرعت حرکت نوکلئونی که با آن برخورد کرده است را استنباط کردند.
جان آرینگتون، دانشمند آزمایشگاه برکلی، یکی از چهار سخنگوی این همکاری است، این به آنها امکان می‌دهد رویدادهایی را انتخاب کنند که در آن یک الکترون از یک پروتون با تکانه بالا پراکنده شده است که اخیراً با نوکلئون دیگری برخورد کرده است.»
این برخوردهای الکترون و پروتون دارای یک الکترون ورودی با انرژی کافی برای حذف کامل برانگیخته هستند پروتون از هسته نوکلئون دوم نیز از هسته فرار می کند، زیرا این کار برهم کنش نوار لاستیکی را که معمولاً جفت نوکلئون هیجان انگیز را در جای خود نگه می دارد، مختل می کند.
تحقیقات قبلی در مورد برخوردهای دو جسمی بر روی رویدادهای پراکندگی متمرکز بود که در آن الکترون برگشتی و هر دو نوکلئون رانده شده مشاهده شدند. با برچسب زدن همه ذرات، آنها می توانند تعداد نسبی جفت پروتون- پروتون را تعیین کنند پروتون-نوترون جفت با این حال، از آنجایی که این رویدادهای "تصادفی سه گانه" بسیار غیر معمول هستند، بررسی دقیق هرگونه برهمکنش اضافی بین نوکلئون ها که می تواند بر تعداد تأثیر بگذارد برای تجزیه و تحلیل ضروری بود.
هسته های آینه ای دقت را افزایش می دهند
در مطالعه جدید، فیزیکدانان راهی برای تعیین تعداد نسبی جفت پروتون- پروتون و پروتون- نوترون بدون شناسایی نوکلئون های پرتاب شده نشان دادند. اندازه گیری پراکندگی از دو "هسته آینه ای" با تعداد نوکلئون یکسان - تریتیوم، یک ایزوتوپ هیدروژن کمیاب با یک پروتون و دو نوترون، و هلیوم-3که دارای دو پروتون و یک نوترون است، این ترفند بود. هلیوم-3 دقیقاً شبیه تریتیوم است که پروتون‌ها و نوترون‌ها مبادله شده‌اند، و این تقارن فیزیکدانان را قادر می‌سازد تا برخوردهای مربوط به پروتون‌ها را از نوترون‌ها با مقایسه دو مجموعه داده‌شان تشخیص دهند.
فیزیکدانان پس از برنامه ریزی برای توسعه یک سلول گاز تریتیوم برای آزمایش های پراکندگی الکترون، کار بر روی هسته های آینه ای را آغاز کردند. این اولین استفاده از این ایزوتوپ کمیاب و معتدل در چند دهه اخیر است.
از طریق این آزمایش، دانشمندان داده های بیشتری را نسبت به آزمایش های قبلی جمع آوری کردند. از این رو، آنها می توانند دقت اندازه گیری های قبلی را با ضریب ده افزایش دهند.
آنها دلیلی نداشتند که انتظار داشته باشند برخورد دو نوکلئون در تریتیوم و هلیوم-3 متفاوت از هسته های سنگین تر عمل کند، بنابراین نتایج کاملاً شگفت انگیز بود.
آرینگتون گفت:, هلیوم-3 شفاف آن با تعداد انگشت شماری از هسته های سنگین اندازه گیری شده متفاوت است. ما می‌خواهیم برای اندازه‌گیری دقیق‌تر روی هسته‌های سبک دیگر فشار بیاوریم تا پاسخ قطعی به دست آوریم.»
مرجع مجله:
- Li، S.، Cruz-Torres، R.، Santiesteban، N. و همکاران. آشکار ساختن برد کوتاه هسته های آینه ای 3H و 3He. طبیعت 609، 41–45 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05007-2
