Amikor a protonok és a neutronok (nukleonok) atommagokhoz kötődnek, elég közel vannak ahhoz, hogy jelentős vonzerőt vagy taszítást érezzenek. A bennük lévő erős kölcsönhatások kemény ütközésekhez vezetnek a nukleonok között.
A könnyű atommagok energetikai ütközésének új technikával történő tanulmányozása során a fizikusok valami meglepő dolgot fedeztek fel: a protonok ütköznek a többi protonnal, a neutronok pedig a társukkal. neutronok a vártnál gyakrabban.
A korábbi kutatások során a tudósok az ólomtól (12 nukleontól) a szénig (12 nukleonig) (208 atommagban) vizsgálták az energetikai kétnukleon ütközéseket kis számú atommagban. Egybehangzó eredmények azt mutatták, hogy a proton-neutron ütközések az összes ütközés több mint 95%-át teszik ki, a proton-proton és a neutron-neutron ütközések a fennmaradó 5%-ot.
Egy új kísérletben a fizikusok két három-három nukleonnal rendelkező „tükörmag” ütközését vizsgálták. Azt találták, hogy a proton-proton és a neutron-neutron ütközések sokkal nagyobb hányadáért – nagyjából 20%-ért – felelősek.
Egy nemzetközi csapat felfedezett tudósokat, köztük kutatókat Az Energiaügyi Minisztérium Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriuma (Berkeley Lab). A tanulmányhoz a DOE Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) virginiai államában működő Continuous Electron Beam Accelerator Facility-t használták.
A legtöbb atommagban a nukleonok életük körülbelül 20%-át két nukleon ütközéséből származó, nagy lendületű gerjesztett állapotban töltik. Ezeknek az ütközéseknek a tanulmányozása megköveteli az atommagok nagy energiájú elektronsugarakkal történő megszakítását. Aztán egy szórt elektron energiájának és visszarúgási szögének mérésével a tudósok arra következtettek, hogy az eltalált nukleon milyen sebességgel mozoghatott.
John Arrington, a Berkeley Lab tudósa az együttműködés négy szóvivőjének egyike, mondta: "Ez lehetővé teszi számukra, hogy kiválasszák azokat az eseményeket, amelyek során egy elektron szétszóródott egy nagy lendületű protonról, amely nemrég ütközött egy másik nukleonnal."
Ezekben az elektron-proton ütközésekben egy bejövő elektron elegendő energiával rendelkezik a gerjesztett teljes eltávolításához proton a magból. A második nukleon is kikerül a magból, mert ez megzavarja azt a gumiszalagszerű kölcsönhatást, amely általában a helyén tartja az izgalmas nukleonpárt.
A kéttest ütközéseivel kapcsolatos korábbi kutatások a szóródási eseményekre összpontosítottak, ahol a visszapattanó elektront és mindkét kilökődött nukleont megfigyelték. Az összes részecske megjelölésével meghatározhatták a proton-proton párok relatív számát és proton-neutron párok. Mivel azonban ezek a „hármas egybeesés” események rendkívül ritkák, az elemzéshez szükség volt a nukleonok közötti további kölcsönhatások gondos mérlegelésére, amelyek befolyásolhatják a számot.
A tükörmagok növelik a pontosságot
Az új tanulmányban a fizikusok egy módszert mutattak be a proton-proton és proton-neutron párok relatív számának meghatározására anélkül, hogy észlelték volna a kilökődött nukleonokat. Két azonos számú nukleont tartalmazó „tükörmag” szóródásának mérése – trícium, egy ritka hidrogénizotóp egy protonnal és két neutronnal, és hélium-3, amelynek két protonja és egy neutronja van – ez volt a trükk. A hélium-3 úgy néz ki, mint a trícium, protonok és neutronok felcserélésével, és ez a szimmetria lehetővé tette a fizikusoknak, hogy a két adatkészlet összehasonlításával megkülönböztethessék a protonokat érintő ütközéseket a neutronoktól.
A fizikusok azután kezdtek el tükörmagokon dolgozni, hogy egy trícium gázcella kifejlesztését tervezték elektronszórási kísérletekhez. Évtizedek óta ez az első felhasználása ennek a ritka és temperamentumos izotópnak.
Ezzel a kísérlettel a tudósok több adatot gyűjtöttek össze, mint a korábbi kísérletekben. Így tízszeresére javíthatták a korábbi mérések pontosságát.
Nem volt okuk arra számítani, hogy a két nukleonos ütközések a tríciumban és a hélium-3-ban másképp működnek, mint a nehezebb magokban, így az eredmények meglehetősen meglepőek voltak.
Arrington mondott, „A tiszta hélium-3 különbözik a mért maroknyi nehéz atommagtól. Pontosabb méréseket akarunk elérni más könnyű atommagokon, hogy végleges választ adjunk.”
Journal Reference:
- Li, S., Cruz-Torres, R., Santiesteban, N. et al. A 3H és 3He tükörmagok rövid hatótávolságú szerkezetének feltárása. Természet 609, 41–45 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05007-2
