Ketika proton dan neutron (nukleon) terikat menjadi inti atom, mereka cukup dekat untuk merasakan daya tarik atau tolakan yang signifikan. Interaksi yang kuat di dalamnya menyebabkan tabrakan keras antara nukleon.
Saat mempelajari tumbukan energik dalam inti cahaya melalui teknik baru, fisikawan menemukan sesuatu yang mengejutkan: proton bertabrakan dengan sesama proton dan neutron dengan sesamanya. neutron lebih sering dari yang diharapkan.
Dalam penelitian sebelumnya, para ilmuwan memeriksa tumbukan dua nukleon energik dalam sejumlah kecil inti, mulai dari timbal (12 nukleon) hingga karbon (12 nukleon) (dengan 208). Temuan yang konsisten menunjukkan bahwa tabrakan proton-neutron menyumbang lebih dari 95% dari semua tabrakan, dengan tabrakan proton-proton dan neutron-neutron membuat 5% sisanya.
Dalam percobaan baru, fisikawan mempelajari tumbukan dalam dua "inti cermin" dengan masing-masing tiga nukleon. Mereka menemukan bahwa tabrakan proton-proton dan neutron-neutron bertanggung jawab atas bagian yang jauh lebih besar dari total - sekitar 20%.
Sebuah tim internasional menemukan ilmuwan, termasuk peneliti dari Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley Departemen Energi (Laboratorium Berkeley). Untuk penelitian ini, mereka menggunakan Continuous Electron Beam Accelerator Facility di Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) DOE di Virginia.
Di sebagian besar inti atom, nukleon menghabiskan sekitar 20% hidupnya dalam keadaan tereksitasi dengan momentum tinggi yang dihasilkan dari tumbukan dua nukleon. Mempelajari tabrakan ini membutuhkan inti atom dengan berkas elektron berenergi tinggi. Kemudian, dengan mengukur energi dan sudut mundur elektron yang tersebar, para ilmuwan menyimpulkan kecepatan nukleon yang ditabraknya pasti bergerak.
John Arrington, seorang ilmuwan Berkeley Lab, adalah salah satu dari empat juru bicara untuk kolaborasi tersebut, mengatakan, “Ini memungkinkan mereka untuk memilih peristiwa di mana elektron tersebar dari proton momentum tinggi yang baru-baru ini bertabrakan dengan nukleon lain.”
Tabrakan elektron-proton ini memiliki elektron yang masuk dengan energi yang cukup untuk sepenuhnya menghilangkan elektron yang tereksitasi proton dari nukleus. Nukleon kedua juga lolos dari inti karena ini mengganggu interaksi seperti pita karet yang biasanya menahan pasangan nukleon yang menarik di tempatnya.
Penelitian sebelumnya tentang tumbukan dua benda terkonsentrasi pada peristiwa hamburan di mana elektron yang memantul dan kedua nukleon yang dikeluarkan diamati. Dengan menandai semua partikel, mereka dapat menentukan jumlah relatif pasangan proton-proton dan proton-neutron berpasangan. Namun, karena peristiwa "kebetulan rangkap tiga" ini sangat jarang terjadi, pertimbangan yang cermat dari setiap interaksi tambahan antara nukleon yang dapat memengaruhi penghitungan diperlukan untuk analisis.
Inti cermin meningkatkan presisi
Dalam studi baru, fisikawan menunjukkan cara untuk menetapkan jumlah relatif pasangan proton-proton dan proton-neutron tanpa mendeteksi nukleon yang dikeluarkan. Pengukuran hamburan dari dua “inti cermin” dengan jumlah nukleon yang sama—tritium, isotop hidrogen langka dengan satu proton dan dua neutron, dan helium-3, yang memiliki dua proton dan satu neutron—adalah triknya. Helium-3 terlihat seperti tritium dengan proton dan neutron bertukar, dan simetri ini memungkinkan fisikawan untuk membedakan tabrakan yang melibatkan proton dari neutron dengan membandingkan dua set data mereka.
Fisikawan mulai mengerjakan inti cermin setelah berencana mengembangkan sel gas tritium untuk eksperimen hamburan elektron. Ini adalah penggunaan pertama dari isotop langka dan temperamental ini dalam beberapa dekade.
Melalui eksperimen ini, para ilmuwan mengumpulkan lebih banyak data daripada eksperimen sebelumnya. Oleh karena itu, mereka dapat meningkatkan ketepatan pengukuran sebelumnya dengan faktor sepuluh.
Mereka tidak memiliki alasan untuk mengharapkan tabrakan dua nukleon akan bekerja secara berbeda di tritium dan helium-3 daripada di inti yang lebih berat, jadi hasilnya cukup mengejutkan.
Arrington tersebut, “Helium-3 yang jelas berbeda dari segelintir inti berat yang diukur. Kami ingin mendorong pengukuran yang lebih tepat pada inti ringan lainnya untuk menghasilkan jawaban yang pasti.”
Referensi Jurnal:
- Li, S., Cruz-Torres, R., Santiesteban, N. et al. Mengungkap struktur jarak pendek dari inti cermin 3H dan 3He. Alam 609–41 (45). DOI: 10.1038/s41586-022-05007-2
