양성자와 중성자(핵자)가 원자핵에 결합되면 상당한 인력이나 반발을 느낄 만큼 가까워집니다. 그들 내부의 강한 상호 작용은 핵자 사이의 강한 충돌로 이어집니다.
새로운 기술을 통해 가벼운 핵에서 이러한 에너지 충돌을 연구하는 동안 물리학자들은 놀라운 사실을 발견했습니다. 양성자는 동료 양성자와 충돌하고 중성자는 동료와 충돌합니다. 중성자 생각보다 자주.
초기 연구에서 과학자들은 납(12개 핵자)에서 탄소(12개 핵자)(208개 포함)에 이르는 소수의 핵에서 에너지가 넘치는 두 개의 핵자 충돌을 조사했습니다. 일관된 연구 결과에 따르면 양성자-중성자 충돌은 전체 충돌의 95% 이상을 차지했으며 나머지 5%는 양성자-양성자 및 중성자-중성자 충돌이었습니다.
새로운 실험에서 물리학자들은 각각 20개의 핵자를 갖는 XNUMX개의 "거울 핵"에서의 충돌을 연구했습니다. 그들은 양성자-양성자 및 중성자-중성자 충돌이 전체의 훨씬 더 많은 부분(약 XNUMX%)에 책임이 있음을 발견했습니다.
국제 팀은 에너지부의 로렌스 버클리 국립 연구소 (버클리 연구소). 연구를 위해 그들은 버지니아에 있는 DOE의 Thomas Jefferson National Accelerator Facility(Jefferson Lab)에 있는 연속 전자빔 가속기 시설을 사용했습니다.
대부분의 원자핵에서 핵자는 수명의 약 20%를 XNUMX개의 핵자 충돌로 인한 고운동량 들뜬 상태에서 보냅니다. 이러한 충돌을 연구하려면 고에너지 전자빔으로 핵을 재핑해야 합니다. 그런 다음 과학자들은 산란된 전자의 에너지와 반동각을 측정하여 전자가 충돌한 핵자가 움직이는 속도를 추론했습니다.
버클리 연구소의 과학자인 John Arrington은 이번 협업을 위한 네 명의 대변인 중 한 명이라고 말했습니다. "이를 통해 전자가 최근에 다른 핵자와 충돌한 고운동량 양성자에서 산란된 사건을 찾아낼 수 있습니다."
이러한 전자-양성자 충돌은 여기된 전자를 완전히 제거하기에 충분한 에너지를 가진 들어오는 전자를 가지고 있습니다. 양자 핵에서. 두 번째 핵자는 또한 핵을 탈출합니다. 이는 일반적으로 여기 핵자 쌍을 제자리에 고정시키는 고무 밴드와 같은 상호 작용을 방해하기 때문입니다.
XNUMX체 충돌에 대한 이전 연구는 반발하는 전자와 방출된 핵자 모두가 관찰되는 산란 이벤트에 집중되었습니다. 모든 입자에 태그를 지정함으로써 양성자-양성자 쌍의 상대적 수를 결정할 수 있었고 양성자 중성자 한 쌍. 그러나 이러한 "삼중 우연" 사건은 매우 드물기 때문에 분석에 영향을 줄 수 있는 핵자 간의 추가 상호 작용에 대한 신중한 고려가 필요했습니다.
미러 핵 부스트 정밀도
새로운 연구에서 물리학자들은 방출된 핵자를 감지하지 않고 양성자-양성자 및 양성자-중성자 쌍의 상대적 수를 설정하는 방법을 보여주었습니다. 양성자 XNUMX개와 중성자 XNUMX개가 있는 희귀 수소 동위원소인 삼중수소(삼중수소)와 같은 핵자 수를 가진 두 개의 "거울 핵"에서 산란 측정 헬륨 -3, 3개의 양성자와 XNUMX개의 중성자가 있는 것이 트릭이었습니다. 헬륨-XNUMX은 양성자와 중성자가 교환된 삼중수소처럼 보이며, 이러한 대칭 덕분에 물리학자들은 두 데이터 세트를 비교하여 양성자와 중성자를 포함하는 충돌을 구별할 수 있었습니다.
물리학자들은 전자 산란 실험을 위한 삼중수소 가스 전지 개발을 계획한 후 거울 핵에 대한 연구를 시작했습니다. 이것은 수십 년 만에 이 희귀하고 변덕스러운 동위원소를 처음으로 사용하는 것입니다.
이 실험을 통해 과학자들은 이전 실험보다 더 많은 데이터를 수집했습니다. 따라서 이전 측정의 정밀도를 XNUMX배까지 향상시킬 수 있습니다.
그들은 3개의 핵자 충돌이 더 무거운 핵에서보다 삼중수소와 헬륨-XNUMX에서 다르게 작동할 것이라고 예상할 이유가 없었으므로 결과는 매우 놀라웠습니다.
애 링턴 말했다, "그의 투명한 헬륨-3은 측정된 소수의 무거운 핵과 다릅니다. 우리는 결정적인 답을 얻기 위해 다른 빛 핵에 대한 더 정확한 측정을 추진하고 싶습니다.”
저널 참조 :
- Li, S., Cruz-Torres, R., Santiesteban, N. et al. 거울 핵 3H와 3He의 단거리 구조를 밝힙니다. 자연 609, 41-45 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05007-2
