Când protonii și neutronii (nucleonii) sunt legați de nuclee atomice, aceștia sunt suficient de aproape pentru a simți o atracție sau o repulsie semnificativă. Interacțiunile puternice din interiorul lor duc la ciocniri dure între nucleoni.
În timp ce studiau aceste ciocniri energetice în nucleele luminoase printr-o nouă tehnică, fizicienii au descoperit ceva surprinzător: protonii se ciocnesc cu protonii lor, iar neutronii cu semenii lor. neutroni mai des decât se aștepta.
În cercetările anterioare, oamenii de știință au examinat ciocnirile energetice cu doi nucleoni într-un număr mic de nuclei, variind de la plumb (12 nucleoni) la carbon (12 nucleoni) (cu 208). Descoperiri consecvente au arătat că coliziunile proton-neutron au reprezentat peste 95% din toate coliziunile, ciocnirile proton-proton și neutron-neutron reprezentând restul de 5%.
Într-un nou experiment, fizicienii au studiat coliziunile în două „nuclee oglindă” cu câte trei nucleoni fiecare. Ei au descoperit că coliziunile proton-proton și neutron-neutron au fost responsabile pentru o pondere mult mai mare din total – aproximativ 20%.
O echipă internațională a descoperit oameni de știință, inclusiv cercetători de la Laboratorul Național Lawrence Berkeley al Departamentului de Energie (Berkeley Lab). Pentru studiu, au folosit instalația de accelerare a fasciculului de electroni continuu de la Thomas Jefferson National Accelerator Facility (laboratorul Jefferson) din Virginia.
În majoritatea nucleelor atomice, nucleonii își petrec aproximativ 20% din viață în stări excitate de mare impuls, rezultate din ciocnirile cu doi nucleoni. Studierea acestor ciocniri necesită zapping nuclee cu fascicule de electroni de înaltă energie. Apoi, măsurând energia unui electron împrăștiat și unghiul de recul, oamenii de știință au dedus viteza cu care nucleonul pe care l-a lovit trebuie să se fi mișcat.
John Arrington, un om de știință din Berkeley Lab, este unul dintre cei patru purtători de cuvânt al colaborării, a spus: „Acest lucru le permite să identifice evenimente în care un electron s-a împrăștiat de pe un proton de mare impuls care s-a ciocnit recent cu un alt nucleon.”
Aceste ciocniri electron-proton au un electron de intrare cu energie suficientă pentru a elimina complet excitatul proton din nucleu. Al doilea nucleon scapă, de asemenea, din nucleu, deoarece acest lucru perturbă interacțiunea asemănătoare unei benzi de cauciuc care menține de obicei perechea de nucleoni excitanți în loc.
Cercetările anterioare privind coliziunile cu două corpuri s-au concentrat asupra evenimentelor de împrăștiere în care au fost observați electronul care revine și ambii nucleoni expulzați. Prin etichetarea tuturor particulelor, acestea ar putea determina numărul relativ de perechi proton-proton și proton-neutron perechi. Cu toate acestea, deoarece aceste evenimente de „triplu coincidență” sunt extrem de neobișnuite, pentru analiză a fost necesară o analiză atentă a oricăror interacțiuni suplimentare între nucleoni care pot afecta numărul.
Nucleele oglinzilor sporesc precizia
În noul studiu, fizicienii au demonstrat o modalitate de a stabili numărul relativ de perechi proton-proton și proton-neutron fără a detecta nucleonii ejectați. Măsurarea împrăștierii din două „nuclee oglindă” cu același număr de nucleoni - tritiu, un izotop rar de hidrogen cu un proton și doi neutroni și -Heliu 3, care are doi protoni și un neutron — a fost trucul. Heliul-3 arată exact ca tritiu, cu protoni și neutroni schimbați, iar această simetrie a permis fizicienilor să distingă coliziunile care implică protoni de neutroni comparând cele două seturi de date ale acestora.
Fizicienii au început să lucreze la nucleele de oglindă după ce plănuiau să dezvolte o celulă cu gaz tritiu pentru experimente de împrăștiere a electronilor. Aceasta este prima utilizare a acestui izotop rar și temperamental în decenii.
Prin acest experiment, oamenii de știință au colectat mai multe date decât în experimentele anterioare. Prin urmare, ar putea îmbunătăți precizia măsurătorilor anterioare cu un factor de zece.
Nu aveau motive să se aștepte ca ciocnirile cu doi nucleoni să funcționeze diferit în tritiu și heliu-3 decât în nucleele mai grele, așa că rezultatele au fost destul de surprinzătoare.
Arrington a spus, „Heliul-3 limpede este diferit de pumnii nuclee grele măsurate. Vrem să facem eforturi pentru măsurători mai precise asupra altor nuclee ușoare pentru a oferi un răspuns definitiv.”
Referința jurnalului:
- Li, S., Cruz-Torres, R., Santiesteban, N. et al. Dezvăluirea structurii cu rază scurtă de acțiune a nucleelor oglindă 3H și 3He. Natură 609, 41–45 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05007-2
