Kiedy protony i neutrony (nukleony) są związane z jądrami atomowymi, są wystarczająco blisko, aby odczuwać znaczne przyciąganie lub odpychanie. Silne oddziaływania w ich obrębie prowadzą do twardych zderzeń nukleonów.
Badając te energetyczne zderzenia w lekkich jądrach za pomocą nowej techniki, fizycy odkryli coś zaskakującego: protony zderzają się z innymi protonami, a neutrony z innymi. neutrony częściej niż oczekiwano.
We wcześniejszych badaniach naukowcy badali energetyczne zderzenia dwóch nukleonów w niewielkiej liczbie jąder, od ołowiu (12 nukleonów) do węgla (12 nukleonów) (z 208). Spójne odkrycia wykazały, że zderzenia proton-neutron stanowiły ponad 95% wszystkich zderzeń, a zderzenia proton-proton i neutron-neutron stanowiły pozostałe 5%.
W nowym eksperymencie fizycy badali zderzenia w dwóch „jądrach lustrzanych” z trzema nukleonami w każdym. Odkryli, że zderzenia proton-proton i neutron-neutron były odpowiedzialne za znacznie większy udział w całości – około 20%.
Międzynarodowy zespół odkrył naukowców, w tym badaczy z Departament Energii Lawrence Berkeley National Laboratory (Laboratorium Berkeley). Do badań wykorzystano Continuous Electron Beam Accelerator Facility w DOE Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) w Wirginii.
W większości jąder atomowych nukleony spędzają około 20% swojego życia w stanach wzbudzonych o dużym pędzie, powstałych w wyniku zderzeń dwóch nukleonów. Badanie tych zderzeń wymaga zasterowania jąder wiązkami elektronów o wysokiej energii. Następnie, mierząc energię rozproszonego elektronu i kąt odrzutu, naukowcy wywnioskowali prędkość, z jaką musiał się poruszać nukleon, w który trafił.
John Arrington, naukowiec z Berkeley Lab, jest jednym z czterech rzeczników współpracy, powiedział: „Dzięki temu mogą wykryć zdarzenia, w których elektron rozproszył się od protonu o dużym pędzie, który niedawno zderzył się z innym nukleonem”.
Te zderzenia elektron-proton mają nadchodzący elektron o energii wystarczającej do całkowitego usunięcia wzbudzonego proton z jądra. Drugi nukleon również ucieka z jądra, ponieważ zakłóca to oddziaływanie podobne do gumek, które zwykle utrzymuje w miejscu ekscytującą parę nukleonów.
Wcześniejsze badania nad zderzeniami dwóch ciał koncentrowały się na zjawiskach rozpraszania, w których zaobserwowano odbijający się elektron i oba wyrzucone nukleony. Oznaczając wszystkie cząstki, mogli określić względną liczbę par proton-proton oraz proton-neutron pary. Ponieważ jednak te „potrójne zbiegi okoliczności” są niezwykle rzadkie, do analizy konieczne było dokładne rozważenie wszelkich dodatkowych interakcji między nukleonami, które mogą wpływać na liczbę.
Lustrzane jądra zwiększają precyzję
W nowym badaniu fizycy zademonstrowali sposób ustalenia względnej liczby par proton-proton i proton-neutron bez wykrywania wyrzuconych nukleonów. Pomiar rozpraszania z dwóch „jąder lustrzanych” o tej samej liczbie nukleonów — trytu, rzadkiego izotopu wodoru z jednym protonem i dwoma neutronami, oraz hel-3, który ma dwa protony i jeden neutron – to była sztuczka. Hel-3 wygląda jak tryt z zamienionymi protonami i neutronami, a ta symetria umożliwiła fizykom odróżnienie zderzeń protonów od neutronów poprzez porównanie ich dwóch zestawów danych.
Fizycy rozpoczęli prace nad jądrami lustrzanymi po planowaniu opracowania ogniwa z gazem trytowym do eksperymentów z rozpraszaniem elektronów. Jest to pierwsze od dziesięcioleci zastosowanie tego rzadkiego i temperamentnego izotopu.
Dzięki temu eksperymentowi naukowcy zebrali więcej danych niż w poprzednich eksperymentach. Dzięki temu mogą poprawić precyzję poprzednich pomiarów dziesięciokrotnie.
Nie mieli powodu przypuszczać, że zderzenia dwóch nukleonów będą działały inaczej w trycie i helu-3 niż w cięższych jądrach, więc wyniki były dość zaskakujące.
Arringtona powiedziany, „Jego przejrzysty hel-3 różni się od kilku zmierzonych ciężkich jąder. Chcemy dążyć do bardziej precyzyjnych pomiarów na innych lekkich jądrach, aby uzyskać ostateczną odpowiedź”.
Referencje czasopisma:
- Li, S., Cruz-Torres, R., Santiesteban, N. i in. Ujawnienie struktury krótkozasięgowej jąder lustrzanych 3H i 3He. Natura 609, 41-45 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05007-2
