Kun protonit ja neutronit (nukleonit) sitoutuvat atomiytimiin, ne ovat tarpeeksi lähellä tunteakseen merkittävää vetovoimaa tai hylkimistä. Vahvat vuorovaikutukset niiden sisällä johtavat koviin törmäyksiin nukleonien välillä.
Tutkiessaan näitä energeettisiä törmäyksiä kevyissä ytimissä uudella tekniikalla, fyysikot löysivät jotain yllättävää: protonit törmäävät muiden protonien kanssa ja neutronit muiden kanssa. neutronit odotettua useammin.
Aiemmissa tutkimuksissa tutkijat tutkivat energisiä kahden nukleonin törmäyksiä pienessä määrässä ytimiä, jotka vaihtelivat lyijystä (12 nukleonia) hiileen (12 nukleonia) (208). Johdonmukaiset havainnot osoittivat, että protoni-neutroni törmäykset olivat yli 95 % kaikista törmäyksistä, ja protoni-protoni ja neutroni-neutroni törmäykset muodostivat loput 5 %.
Uudessa kokeessa fyysikot tutkivat törmäyksiä kahdessa "peiliytimessä", joissa kummassakin oli kolme nukleonia. He havaitsivat, että protoni-protoni ja neutroni-neutroni törmäykset olivat vastuussa paljon suuremmasta osuudesta kokonaismäärästä - noin 20%.
Kansainvälinen ryhmä löysi tutkijoita, mukaan lukien tutkijat Energiaministeriön Lawrence Berkeleyn kansallinen laboratorio (Berkeley Lab). Tutkimuksessa he käyttivät jatkuvaa elektronisuihkukiihdytintä DOE:n Thomas Jefferson National Accelerator Facilityssä (Jefferson Lab) Virginiassa.
Useimmissa atomiytimissä nukleonit viettävät noin 20 % elämästään suuren liikemäärän viritystiloissa, jotka johtuvat kahden nukleonin törmäyksistä. Näiden törmäysten tutkiminen vaatii ytimien katkaisemista korkeaenergisilla elektronisuihkuilla. Sitten mittaamalla hajallaan olevan elektronin energian ja rekyylikulman tiedemiehet päättelivät nopeuden, jolla sen osuman nukleonin täytyi liikkua.
John Arrington, Berkeley Labin tutkija, on yksi neljästä yhteistyön tiedottajasta, sanoi: "Tämä antaa heille mahdollisuuden poimia tapahtumia, joissa elektroni sironnut pois suuren liikemäärän protonin, joka äskettäin törmäsi toiseen nukleoniin."
Näissä elektroni-protoni törmäyksissä on sisääntuleva elektroni, jolla on riittävästi energiaa poistamaan virittyneen kokonaan protoni ytimestä. Toinen nukleoni pakenee myös ytimestä, koska tämä häiritsee kuminauhamaista vuorovaikutusta, joka yleensä pitää jännittävän nukleoniparin paikallaan.
Aikaisempi tutkimus kahden kappaleen törmäyksistä keskittyi sirontatapahtumiin, joissa havaittiin palautuva elektroni ja molemmat poistuneet nukleonit. Merkitsemällä kaikki hiukkaset he voisivat määrittää protoni-protoni-parien suhteellisen määrän ja protoni-neutroni pareja. Koska nämä "kolminkertaisen sattuman" tapahtumat ovat kuitenkin erittäin harvinaisia, analyysiä varten oli tarpeen harkita huolellisesti mahdollisia lisävuorovaikutuksia nukleonien välillä, jotka voivat vaikuttaa lukemiin.
Peilin ytimet lisäävät tarkkuutta
Uudessa tutkimuksessa fyysikot osoittivat tavan määrittää protoni-protoni- ja protoni-neutroni-parien suhteellinen lukumäärä havaitsematta ulostyöntyneitä nukleoneja. Sironnan mittaus kahdesta "peiliytimestä", joissa on sama määrä nukleoneja - tritiumista, harvinaisesta vetyisotoopista, jossa on yksi protoni ja kaksi neutronia, ja helium-3, jossa on kaksi protonia ja yksi neutroni – oli temppu. Helium-3 näyttää tritiumalta, jossa protonit ja neutronit ovat vaihtuneet, ja tämän symmetrian ansiosta fyysikot pystyivät erottamaan protonien törmäykset neutroneista vertaamalla niiden kahta tietojoukkoa.
Fyysikot aloittivat työskentelyn peiliytimien parissa suunniteltuaan tritiumkaasukennon kehittämistä elektroninsirontakokeita varten. Tämä on ensimmäinen tämän harvinaisen ja temperamenttisen isotoopin käyttö vuosikymmeniin.
Tämän kokeen avulla tutkijat keräsivät enemmän tietoa kuin aikaisemmissa kokeissa. Näin ollen ne voisivat parantaa aikaisempien mittausten tarkkuutta kymmenkertaisesti.
Heillä ei ollut syytä odottaa, että kahden nukleonin törmäykset toimisivat eri tavalla tritiumissa ja helium-3:ssa kuin raskaammissa ytimissä, joten tulokset olivat melko yllättäviä.
Arrington sanoi, "Sen kirkas helium-3 eroaa kourallinen mitattuja raskaita ytimiä. Haluamme vaatia tarkempia mittauksia muille kevyille ytimille saadaksemme lopullisen vastauksen."
Lehden viite:
- Li, S., Cruz-Torres, R., Santiesteban, N. et ai. Paljastaa peilin ytimien 3H ja 3He lyhyen kantaman rakenteen. luonto 609, 41–45 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05007-2
