陽子と中性子 (核子) が原子核に結合すると、それらは十分に接近して、大きな引力または反発を感じます。 それらの中での強い相互作用は、核子間の激しい衝突につながります。
新しい技術を使って軽原子核でのこれらのエネルギー衝突を研究しているときに、物理学者は驚くべきことを発見しました: 陽子は仲間の陽子と衝突し、中性子は仲間と衝突します。 中性子 予想よりも頻繁に。
以前の研究では、科学者は、鉛 (12 個の核子) から炭素 (12 個の核子) (208 個) までの範囲の、少数の原子核における高エネルギーの 95 核子衝突を調べました。 一貫した調査結果は、陽子-中性子衝突がすべての衝突の 5% 以上を占め、陽子-陽子および中性子-中性子衝突が残りの XNUMX% を占めることを示しました。
新しい実験では、物理学者は、それぞれ 20 つの核子を持つ XNUMX つの「鏡核」の衝突を研究しました。 彼らは、陽子 - 陽子および中性子 - 中性子の衝突が全体のはるかに大きな割合を占めていることを発見しました – 約XNUMX%.
国際的なチームが科学者を発見しました。 エネルギー省のローレンス・バークレー国立研究所 （バークレー研究所）。 この研究では、バージニア州にある DOE の Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) にある連続電子ビーム加速器施設を使用しました。
ほとんどの原子核では、核子は寿命の約 20% を、XNUMX つの核子の衝突による高運動量の励起状態で過ごします。 これらの衝突を研究するには、高エネルギー電子ビームで原子核をザッピングする必要があります。 次に、散乱電子のエネルギーと反跳角を測定することにより、科学者は衝突した核子が移動していたに違いない速度を推測しました。
バークレー研究所の科学者であるジョン・アリントンは、このコラボレーションの XNUMX 人のスポークスパーソンの XNUMX 人であると述べています。 「これにより、最近別の核子と衝突した高運動量の陽子から電子が散乱したイベントを見つけることができます。」
これらの電子-陽子衝突には、励起された電子を完全に除去するのに十分なエネルギーを持つ電子が入ってきます。 陽子 核から。 XNUMX 番目の核子も核から脱出します。これは、通常、励起する核子のペアを所定の位置に保持する輪ゴムのような相互作用を乱すためです。
二体衝突に関するこれまでの研究は、跳ね返る電子と両方の放出された核子が観察される散乱事象に集中していました。 すべての粒子にタグを付けることで、陽子と陽子のペアの相対数を決定し、 陽子中性子 ペア。 ただし、これらの「三重一致」イベントは非常にまれであるため、分析にはカウントに影響を与える可能性のある核子間の追加の相互作用を慎重に考慮する必要がありました。
鏡核が精度を高める
新しい研究では、物理学者は、放出された核子を検出せずに、陽子-陽子および陽子-中性子のペアの相対数を確立する方法を実証しました。 同じ数の核子を持つ XNUMX つの「ミラー核」からの散乱の測定 — トリチウム、XNUMX つの陽子と XNUMX つの中性子を持つ希な水素同位体、および ヘリウム33 つの陽子と XNUMX つの中性子を持っている - トリックでした。 ヘリウム XNUMX は、陽子と中性子が入れ替わったトリチウムのように見えます。この対称性により、物理学者は XNUMX つのデータセットを比較することで、陽子と中性子が関与する衝突を区別することができました。
物理学者は、電子散乱実験用のトリチウムガスセルの開発を計画した後、ミラー原子核の研究を開始しました。 これは、数十年ぶりにこの希少で気まぐれな同位体が使用されたものです。
この実験を通じて、科学者は以前の実験よりも多くのデータを収集しました。 したがって、以前の測定値の精度を XNUMX 倍向上させることができました。
トリチウムとヘリウム 3 では、XNUMX 核子衝突が重い原子核とは異なる動作をすると予想する理由がなかったので、結果は非常に驚くべきものでした。
アーリントン と, 「その透明なヘリウム 3 は、測定された一握りの重い原子核とは異なります。 決定的な答えを得るために、他の軽原子核のより正確な測定を推進したいと考えています。」
ジャーナルリファレンス：
- Li、S.、Cruz-Torres、R.、Santiesteban、N.ら。 ミラー原子核 3H と 3He の近距離構造の解明。 自然 609、41〜45（2022）。 DOI： 10.1038/s41586-022-05007-2
