כאשר פרוטונים וניוטרונים (נוקלונים) קשורים לגרעיני אטום, הם קרובים מספיק כדי להרגיש משיכה או דחייה משמעותיים. אינטראקציות חזקות בתוכם מובילות להתנגשויות קשות בין נוקלונים.
בזמן שחקרו את ההתנגשויות האנרגטיות הללו בגרעינים קלים באמצעות טכניקה חדשה, פיזיקאים מצאו משהו מפתיע: פרוטונים מתנגשים עם הפרוטונים האחרים שלהם וניוטרונים עם חברם נויטרונים לעתים קרובות יותר מהצפוי.
במחקר מוקדם יותר, מדענים בחנו התנגשויות אנרגטיות של שני גרעינים במספר קטן של גרעינים, החל מעופרת (12 נוקלונים) ועד פחמן (12 נוקלונים) (עם 208). ממצאים עקביים הראו כי התנגשויות פרוטון-נייטרון היוו למעלה מ-95% מכלל ההתנגשויות, כאשר התנגשויות פרוטון-פרוטון ונייטרון-נייטרון היוו את 5% הנותרים.
בניסוי חדש, פיזיקאים חקרו התנגשויות בשני "גרעיני מראה" עם שלושה נוקלונים כל אחד. הם גילו שהתנגשויות פרוטון-פרוטון ונייטרון-נייטרון היו אחראיות לנתח גדול בהרבה מהסך הכולל - בערך 20%.
צוות בינלאומי גילה מדענים, כולל חוקרים מה- המעבדה הלאומית של משרד האנרגיה לורנס ברקלי (מעבדת ברקלי). לצורך המחקר, הם השתמשו במתקן ה-Continuous Electron Beam Accelerator במתקן המאיץ הלאומי של DOE תומאס ג'פרסון (מעבדת ג'פרסון) בווירג'יניה.
ברוב גרעיני האטום, נוקלונים מבלים כ-20% מחייהם במצבי התרגשות גבוהים הנובעים מהתנגשויות של שני גרעינים. לימוד התנגשויות אלה מצריך זריקת גרעינים עם קרני אלקטרונים בעלות אנרגיה גבוהה. לאחר מכן, על ידי מדידת האנרגיה וזווית הרתע של אלקטרון מפוזר, הסיקו מדענים את המהירות שבה כנראה נע הגרעין שהוא פגע בו.
ג'ון ארינגטון, מדען במעבדת ברקלי, הוא אחד מארבעת הדוברים של שיתוף הפעולה, אמר, "זה מאפשר להם לבחור אירועים שבהם אלקטרון התפזר מפרוטון בעל מומנטום גבוה שהתנגש לאחרונה בגרעין אחר".
להתנגשויות אלקטרונים-פרוטון אלו יש אלקטרון נכנס עם מספיק אנרגיה כדי להסיר לחלוטין את הנרגש פרוטון מהגרעין. הגרעין השני גם בורח מהגרעין מכיוון שזה משבש את האינטראקציה דמוית הגומייה שבדרך כלל מחזיקה את זוג הגרעין המרגש במקום.
מחקר קודם על התנגשויות של שני גופים התרכז באירועי פיזור שבהם נצפו האלקטרון החוזר ושני הנוקלונים שגורשו. על ידי תיוג כל החלקיקים, הם יכלו לקבוע את המספר היחסי של זוגות פרוטון-פרוטונים ו פרוטון-נייטרון זוגות. עם זאת, מכיוון שאירועי "צירוף מקרים משולשים" אלו הם נדירים ביותר, שיקול זהיר של כל אינטראקציות נוספות בין נוקלונים שיכולות להשפיע על הספירה היה הכרחי לצורך הניתוח.
גרעיני מראה מגבירים את הדיוק
במחקר החדש, הפיזיקאים הדגימו דרך לקבוע את המספר היחסי של זוגות פרוטון-פרוטון ופרוטונים-נייטרונים מבלי לגלות את הגרעינים הנפלטים. מדידת פיזור משני "גרעיני מראה" עם אותו מספר של נוקלונים - טריטיום, איזוטופ מימן נדיר עם פרוטון אחד ושני נויטרונים, ו הליום-3, שיש לו שני פרוטונים ונייטרון אחד - היה הטריק. הליום-3 נראה בדיוק כמו טריטיום כשהפרוטונים והנייטרונים מוחלפים, וסימטריה זו אפשרה לפיזיקאים להבחין בין התנגשויות של פרוטונים לנייטרונים על ידי השוואה בין שני מערכי הנתונים שלהם.
פיזיקאים החלו לעבוד על גרעיני מראה לאחר שתכננו לפתח תא גז טריטיום לניסויים בפיזור אלקטרונים. זהו השימוש הראשון באיזוטופ הנדיר והמזג הזה מזה עשרות שנים.
באמצעות ניסוי זה, מדענים אספו יותר נתונים מאשר בניסויים קודמים. לפיכך, הם יכולים לשפר את הדיוק של מדידות קודמות בפקטור של עשרה.
לא הייתה להם סיבה לצפות שהתנגשויות של שני גרעינים יפעלו אחרת בטריטיום ובהליום-3 מאשר בגרעינים כבדים יותר, כך שהתוצאות היו די מפתיעות.
ארינגטון אמר, "ההליום-3 הצלול שלו שונה מקומץ הגרעינים הכבדים שנמדדו. אנחנו רוצים לדחוף למדידות מדויקות יותר על גרעיני אור אחרים כדי לתת תשובה סופית".
עיון ביומן:
- Li, S., Cruz-Torres, R., Santiesteban, N. et al. חשיפת המבנה קצר הטווח של גרעיני המראה 3H ו-3He. טבע 609, 41–45 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05007-2
