Ko so protoni in nevtroni (nukleoni) vezani v atomska jedra, so dovolj blizu, da občutijo znatno privlačnost ali odboj. Močne interakcije znotraj njih vodijo do močnih trkov med nukleoni.
Med proučevanjem teh energijskih trkov v lahkih jedrih z novo tehniko so fiziki odkrili nekaj presenetljivega: protoni trčijo s sorodnimi protoni in nevtroni s sorodnimi nevtroni pogosteje, kot je bilo pričakovano.
V prejšnjih raziskavah so znanstveniki preučevali energijske dvonukleonske trke v majhnem številu jeder, od svinca (12 nukleonov) do ogljika (12 nukleonov) (z 208). Dosledne ugotovitve so pokazale, da so proton-nevtronski trki predstavljali več kot 95 % vseh trkov, proton-protonski in nevtron-nevtronski trki pa preostalih 5 %.
V novem eksperimentu so fiziki preučevali trke v dveh "zrcalnih jedrih" s tremi nukleoni. Ugotovili so, da so bili proton-protonski in nevtron-nevtronski trki odgovorni za veliko večji delež vseh – približno 20 %.
Mednarodna ekipa je odkrila znanstvenike, vključno z raziskovalci iz Nacionalni laboratorij Lawrence Berkeley Ministrstva za energijo (Laboratorij Berkeley). Za študijo so uporabili pospeševalnik z neprekinjenim elektronskim žarkom v Nacionalnem pospeševalniku Thomasa Jeffersona DOE (Jefferson Lab) v Virginiji.
V večini atomskih jeder preživijo nukleoni približno 20 % svojega življenja v vzbujenih stanjih z visokim momentom, ki so posledica dvonukleonskih trkov. Preučevanje teh trkov zahteva zapiranje jeder z visokoenergijskimi elektronskimi žarki. Nato so znanstveniki z merjenjem energije razpršenega elektrona in povratnega kota ugotovili, s kakšno hitrostjo se je gibal nukleon, ki ga je zadel.
John Arrington, znanstvenik iz laboratorija Berkeley, je eden od štirih predstavnikov sodelovanja, je dejal, "To jim omogoča, da izberejo dogodke, v katerih se je elektron razpršil s protona z visokim zagonom, ki je pred kratkim trčil z drugim nukleonom."
Ti elektron-protonski trki imajo vhodni elektron z dovolj energije, da popolnoma odstrani vzbujeni proton iz jedra. Drugi nukleon tudi uide iz jedra, ker to moti gumijastemu traku podobno interakcijo, ki običajno drži vznemirljivi nukleonski par na mestu.
Predhodne raziskave trkov dveh teles so bile osredotočene na dogodke sipanja, kjer so opazili odbojni elektron in oba izgnana nukleona. Z označevanjem vseh delcev bi lahko določili relativno število proton-protonskih parov in proton-nevtron parov. Ker pa so ti dogodki "trojnega naključja" izjemno neobičajni, je bilo za analizo potrebno natančno preučiti morebitne dodatne interakcije med nukleoni, ki lahko vplivajo na število.
Zrcalna jedra povečajo natančnost
V novi študiji so fiziki pokazali način za določitev relativnega števila parov proton-proton in proton-nevtron, ne da bi zaznali izvržene nukleone. Merjenje sipanja od dveh "zrcalnih jeder" z enakim številom nukleonov - tritija, redkega vodikovega izotopa z enim protonom in dvema nevtronoma, in helij-3, ki ima dva protona in en nevtron, je bil trik. Helij-3 je videti tako kot tritij z zamenjavo protonov in nevtronov in ta simetrija je fizikom omogočila razlikovanje med trki, ki vključujejo protone in nevtrone, s primerjavo njihovih dveh nizov podatkov.
Fiziki so začeli delati na zrcalnih jedrih, potem ko so načrtovali razvoj plinske celice s tritijem za eksperimente s sipanjem elektronov. To je prva uporaba tega redkega in temperamentnega izotopa po desetletjih.
S tem poskusom so znanstveniki zbrali več podatkov kot v prejšnjih poskusih. Tako bi lahko izboljšali natančnost prejšnjih meritev za faktor deset.
Niso imeli razloga pričakovati, da bodo dvonukleonski trki delovali drugače v tritiju in heliju-3 kot v težjih jedrih, zato so bili rezultati precej presenetljivi.
Arrington je dejal, »Njegov čisti helij-3 se razlikuje od peščice izmerjenih težkih jeder. Želimo si prizadevati za natančnejše meritve na drugih lahkih jedrih, da bi dobili dokončen odgovor."
Referenca dnevnika:
- Li, S., Cruz-Torres, R., Santiesteban, N. et al. Razkrivamo strukturo kratkega dosega zrcalnih jeder 3H in 3He. Narava 609, 41–45 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05007-2
