Quando protoni e neutroni (nucleoni) sono legati in nuclei atomici, sono abbastanza vicini da provare attrazione o repulsione significativa. Forti interazioni al loro interno portano a forti collisioni tra i nucleoni.
Durante lo studio di queste collisioni energetiche nei nuclei di luce tramite una nuova tecnica, i fisici hanno scoperto qualcosa di sorprendente: i protoni si scontrano con i loro compagni protoni e i neutroni con i loro compagni neutroni più spesso del previsto.
In ricerche precedenti, gli scienziati hanno esaminato le collisioni energetiche di due nucleoni in un piccolo numero di nuclei, che vanno dal piombo (12 nucleoni) al carbonio (12 nucleoni) (con 208). Risultati coerenti hanno mostrato che le collisioni protone-neutrone rappresentavano oltre il 95% di tutte le collisioni, mentre le collisioni protone-protone e neutrone-neutrone costituivano il restante 5%.
In un nuovo esperimento, i fisici hanno studiato le collisioni in due "nuclei specchio" con tre nucleoni ciascuno. Hanno scoperto che le collisioni protone-protone e neutrone-neutrone erano responsabili di una quota molto più ampia del totale, circa il 20%.
Un team internazionale ha scoperto scienziati, compresi i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento di Energia (laboratorio di Berkeley). Per lo studio, hanno utilizzato il Continuous Electron Beam Accelerator Facility presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) del DOE in Virginia.
Nella maggior parte dei nuclei atomici, i nucleoni trascorrono circa il 20% della loro vita in stati eccitati ad alta quantità di moto risultanti da collisioni di due nucleoni. Lo studio di queste collisioni richiede lo zapping dei nuclei con fasci di elettroni ad alta energia. Quindi, misurando l'energia di un elettrone diffuso e l'angolo di rinculo, gli scienziati hanno dedotto la velocità alla quale il nucleone colpito si stava muovendo.
John Arrington, uno scienziato del Berkeley Lab, è uno dei quattro portavoce della collaborazione, ha dichiarato: "Ciò consente loro di individuare eventi in cui un elettrone si è disperso da un protone ad alta quantità di moto che si è recentemente scontrato con un altro nucleone".
Queste collisioni elettrone-protone hanno un elettrone in arrivo con energia sufficiente per rimuovere completamente l'eccitato protone dal nucleo. Anche il secondo nucleone sfugge al nucleo perché questo interrompe l'interazione simile a un elastico che di solito tiene in posizione la coppia di nucleoni eccitanti.
La ricerca precedente sulle collisioni tra due corpi si è concentrata su eventi di scattering in cui sono stati osservati l'elettrone in rimbalzo ed entrambi i nucleoni espulsi. Contrassegnando tutte le particelle, potrebbero determinare il numero relativo di coppie protone-protone e protone-neutrone coppie. Tuttavia, poiché questi eventi di "tripla coincidenza" sono estremamente rari, per l'analisi è stata necessaria un'attenta considerazione di eventuali interazioni aggiuntive tra nucleoni che possono influenzare il conteggio.
I nuclei specchio aumentano la precisione
Nel nuovo studio, i fisici hanno dimostrato un modo per stabilire il numero relativo di coppie protone-protone e protone-neutrone senza rilevare i nucleoni espulsi. Misurazione dello scattering da due "nuclei specchio" con lo stesso numero di nucleoni: trizio, un raro isotopo di idrogeno con un protone e due neutroni, e elio-3, che ha due protoni e un neutrone, era il trucco. L'elio-3 assomiglia al trizio con protoni e neutroni scambiati e questa simmetria ha consentito ai fisici di distinguere le collisioni che coinvolgono protoni dai neutroni confrontando i loro due set di dati.
I fisici hanno iniziato a lavorare sui nuclei specchio dopo aver pianificato lo sviluppo di una cella a gas al trizio per esperimenti di dispersione degli elettroni. Questo è il primo uso di questo isotopo raro e capriccioso da decenni.
Attraverso questo esperimento, gli scienziati hanno raccolto più dati rispetto agli esperimenti precedenti. Pertanto, potrebbero migliorare la precisione delle misurazioni precedenti di un fattore dieci.
Non avevano motivo di aspettarsi che le collisioni di due nucleoni avrebbero funzionato in modo diverso nel trizio e nell'elio-3 rispetto ai nuclei più pesanti, quindi i risultati sono stati piuttosto sorprendenti.
Arrington disse, “Il suo elio-3 limpido è diverso dalla manciata di nuclei pesanti misurati. Vogliamo spingere per misurazioni più precise su altri nuclei leggeri per ottenere una risposta definitiva”.
Riferimento della Gazzetta:
- Li, S., Cruz-Torres, R., Santiesteban, N. et al. Rivelando la struttura a corto raggio dei nuclei speculari 3H e 3He. Natura 609, 41–45 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05007-2
