Når protoner og nøytroner (nukleoner) er bundet inn i atomkjerner, er de nær nok til å føle betydelig tiltrekning eller frastøtning. Sterke interaksjoner i dem fører til harde kollisjoner mellom nukleoner.
Mens de studerte disse energiske kollisjonene i lette kjerner via en ny teknikk, fant fysikere noe overraskende: protoner kolliderer med andre protoner og nøytroner med andre. nøytroner oftere enn forventet.
I tidligere forskning undersøkte forskere energiske tonukleonkollisjoner i et lite antall kjerner, alt fra bly (12 nukleoner) til karbon (12 nukleoner) (med 208). Konsistente funn viste at proton-nøytron-kollisjoner utgjorde over 95 % av alle kollisjoner, med proton-proton- og nøytron-nøytron-kollisjoner som utgjorde de resterende 5 %.
I et nytt eksperiment studerte fysikere kollisjoner i to "speilkjerner" med tre nukleoner hver. De fant at proton-proton- og nøytron-nøytronkollisjoner var ansvarlige for en mye større andel av totalen - omtrent 20%.
Et internasjonalt team oppdaget forskere, inkludert forskere fra Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). For studien brukte de Continuous Electron Beam Accelerator Facility ved DOEs Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) i Virginia.
I de fleste atomkjerner tilbringer nukleoner omtrent 20 % av livet i eksiterte tilstander med høyt momentum som følge av to-nukleonkollisjoner. Å studere disse kollisjonene krever zapping av kjerner med høyenergielektronstråler. Deretter, ved å måle et spredt elektrons energi og rekylvinkel, utledet forskerne hastigheten som nukleonet det traff må ha beveget seg.
John Arrington, en Berkeley Lab-forsker, er en av fire talspersoner for samarbeidet, sa: "Dette gjør dem i stand til å plukke ut hendelser der et elektron spredte seg fra et proton med høyt momentum som nylig kolliderte med et annet nukleon."
Disse elektron-proton-kollisjonene har et innkommende elektron med tilstrekkelig energi til å fjerne det eksiterte fullstendig proton fra kjernen. Det andre nukleonet slipper også unna kjernen fordi dette forstyrrer den gummibåndlignende interaksjonen som vanligvis holder det spennende nukleonparet på plass.
Tidligere forskning på kollisjoner med to kropper konsentrerte seg om spredningshendelser der det tilbakevendende elektronet og begge utviste nukleoner ble observert. Ved å merke alle partiklene kunne de bestemme det relative antallet proton-proton-par og proton-nøytron par. Imidlertid, siden disse "trippelsammentreff"-hendelsene er ekstremt uvanlige, var det nødvendig med nøye vurdering av eventuelle ytterligere interaksjoner mellom nukleoner som kan påvirke tellingen for analysen.
Speilkjerner øker presisjonen
I den nye studien demonstrerte fysikere en måte å etablere det relative antallet proton-proton- og proton-nøytronpar uten å oppdage de utkastede nukleonene. Måling av spredning fra to "speilkjerner" med samme antall nukleoner - tritium, en sjelden hydrogenisotop med ett proton og to nøytroner, og helium-3-, som har to protoner og ett nøytron – var trikset. Helium-3 ser ut akkurat som tritium med protoner og nøytroner byttet om, og denne symmetrien gjorde det mulig for fysikere å skille kollisjoner som involverer protoner fra nøytroner ved å sammenligne deres to datasett.
Fysikere begynte å jobbe med speilkjerner etter å ha planlagt å utvikle en tritiumgasscelle for elektronspredningseksperimenter. Dette er den første bruken av denne sjeldne og temperamentsfulle isotopen på flere tiår.
Gjennom dette eksperimentet samlet forskere inn mer data enn i tidligere eksperimenter. Derfor kan de forbedre presisjonen til tidligere målinger med en faktor på ti.
De hadde ikke grunn til å forvente tonukleonkollisjoner ville fungere annerledes i tritium og helium-3 enn i tyngre kjerner, så resultatene var ganske overraskende.
arrington sa, "Dens klare helium-3 er forskjellig fra håndfull tunge kjerner som er målt. Vi ønsker å presse på for mer presise målinger på andre lette kjerner for å gi et definitivt svar."
Tidsreferanse:
- Li, S., Cruz-Torres, R., Santiesteban, N. et al. Avslører kortdistansestrukturen til speilkjernene 3H og 3He. Natur 609, 41–45 (2022). GJØR JEG: 10.1038/s41586-022-05007-2
