Wanneer protonen en neutronen (nucleonen) in atoomkernen worden gebonden, zijn ze dichtbij genoeg om aanzienlijke aantrekking of afstoting te voelen. Sterke interacties binnen hen leiden tot harde botsingen tussen nucleonen.
Bij het bestuderen van deze energetische botsingen in lichte kernen via een nieuwe techniek ontdekten natuurkundigen iets verrassends: protonen botsen met hun mede-protonen en neutronen met hun mede-protonen. neutronen vaker dan verwacht.
In eerder onderzoek onderzochten wetenschappers energetische botsingen van twee kernen in een klein aantal kernen, variërend van lood (12 nucleonen) tot koolstof (12 nucleonen) (met 208). Consistente bevindingen toonden aan dat proton-neutronenbotsingen verantwoordelijk waren voor meer dan 95% van alle botsingen, terwijl proton-proton- en neutronen-neutronenbotsingen de resterende 5% uitmaakten.
In een nieuw experiment bestudeerden natuurkundigen botsingen in twee ‘spiegelkernen’ met elk drie nucleonen. Ze ontdekten dat proton-proton- en neutronen-neutronenbotsingen verantwoordelijk waren voor een veel groter deel van het totaal – ongeveer 20%.
Een internationaal team ontdekte wetenschappers, waaronder onderzoekers van de Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley-lab). Voor het onderzoek gebruikten ze de Continuous Electron Beam Accelerator Facility bij DOE's Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) in Virginia.
In de meeste atoomkernen brengen nucleonen ongeveer 20% van hun leven door in opgewonden toestanden met een hoog momentum als gevolg van botsingen tussen twee kernen. Het bestuderen van deze botsingen vereist het zappen van kernen met hoogenergetische elektronenbundels. Door vervolgens de energie en de terugslaghoek van een verstrooid elektron te meten, concludeerden wetenschappers met welke snelheid het kerndeeltje dat het raakte, in beweging moest zijn geweest.
John Arrington, een Berkeley Lab-wetenschapper, is een van de vier woordvoerders van de samenwerking en zei: “Hiermee kunnen ze gebeurtenissen uitkiezen waarbij een elektron zich verspreidde van een proton met een hoog momentum dat onlangs in botsing kwam met een ander nucleon.”
Deze elektron-protonbotsingen hebben een inkomend elektron met voldoende energie om het opgewonden elektron volledig te verwijderen proton uit de kern. Het tweede nucleon ontsnapt ook uit de kern omdat dit de rubberen bandachtige interactie verstoort die het opwindende nucleonpaar gewoonlijk op zijn plaats houdt.
Eerder onderzoek naar botsingen tussen twee lichamen concentreerde zich op verstrooiingsgebeurtenissen waarbij het terugkaatsende elektron en beide uitgestoten nucleonen werden waargenomen. Door alle deeltjes te labelen, konden ze het relatieve aantal proton-protonparen bepalen proton-neutron paren. Omdat deze “drievoudige toevalligheden” echter buitengewoon ongebruikelijk zijn, was voor de analyse een zorgvuldige afweging van eventuele aanvullende interacties tussen nucleonen die de telling kunnen beïnvloeden noodzakelijk.
Spiegelkernen verhogen de precisie
In de nieuwe studie demonstreerden natuurkundigen een manier om het relatieve aantal proton-proton- en proton-neutronenparen vast te stellen zonder de uitgeworpen nucleonen te detecteren. Meting van verstrooiing door twee ‘spiegelkernen’ met hetzelfde aantal kerndeeltjes: tritium, een zeldzame waterstofisotoop met één proton en twee neutronen, en helium-3, die twee protonen en één neutron heeft, was de truc. Helium-3 lijkt precies op tritium waarbij protonen en neutronen zijn verwisseld, en deze symmetrie stelde natuurkundigen in staat botsingen waarbij protonen betrokken zijn te onderscheiden van neutronen door hun twee datasets te vergelijken.
Natuurkundigen begonnen te werken aan spiegelkernen nadat ze van plan waren een tritiumgascel te ontwikkelen voor experimenten met elektronenverstrooiing. Dit is het eerste gebruik van deze zeldzame en temperamentvolle isotoop in decennia.
Door dit experiment verzamelden wetenschappers meer gegevens dan in eerdere experimenten. Ze zouden de nauwkeurigheid van eerdere metingen dus met een factor tien kunnen verbeteren.
Ze hadden geen reden om te verwachten dat botsingen tussen twee kernen anders zouden werken in tritium en helium-3 dan in zwaardere kernen, dus de resultaten waren behoorlijk verrassend.
Arrington zei, “Het heldere helium-3 verschilt van het handjevol gemeten zware kernen. We willen aandringen op nauwkeurigere metingen aan andere lichte kernen om tot een definitief antwoord te komen.”
Journal Reference:
- Li, S., Cruz-Torres, R., Santiesteban, N. et al. Onthullen van de korteafstandsstructuur van de spiegelkernen 3H en 3He. NATUUR 609, 41-45 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05007-2
