När protoner och neutroner (nukleoner) binds till atomkärnor är de tillräckligt nära för att känna betydande attraktion eller avstötning. Starka interaktioner inom dem leder till hårda kollisioner mellan nukleoner.
När fysiker studerade dessa energiska kollisioner i lätta kärnor via en ny teknik, fann fysiker något överraskande: protoner kolliderar med sina andra protoner och neutroner med sina andra. neutroner oftare än väntat.
I tidigare forskning undersökte forskare energiska tvånukleonkollisioner i ett litet antal kärnor, allt från bly (12 nukleoner) till kol (12 nukleoner) (med 208). Konsekventa fynd visade att proton-neutronkollisioner stod för över 95% av alla kollisioner, med proton-proton- och neutron-neutronkollisioner som utgjorde de återstående 5%.
I ett nytt experiment studerade fysiker kollisioner i två "spegelkärnor" med tre nukleoner vardera. De fann att proton-proton- och neutron-neutronkollisioner var ansvariga för en mycket större del av det totala - ungefär 20%.
Ett internationellt team upptäckte forskare, inklusive forskare från Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). För studien använde de Continuous Electron Beam Accelerator Facility vid DOE:s Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) i Virginia.
I de flesta atomkärnor tillbringar nukleoner cirka 20 % av sina liv i högmomentum exciterade tillstånd som är ett resultat av tvånukleonkollisioner. Att studera dessa kollisioner kräver zapping av kärnor med högenergielektronstrålar. Sedan, genom att mäta en spridd elektrons energi och rekylvinkel, drog forskarna slutsatsen med vilken hastighet nukleonen den träffade måste ha rört sig.
John Arrington, en forskare från Berkeley Lab, är en av fyra talespersoner för samarbetet, sa: "Detta gör det möjligt för dem att plocka ut händelser där en elektron spred sig från en högmomentum proton som nyligen kolliderade med en annan nukleon."
Dessa elektron-protonkollisioner har en inkommande elektron med tillräcklig energi för att helt avlägsna den exciterade proton från kärnan. Den andra nukleonen flyr också från kärnan eftersom detta stör den gummibandsliknande interaktionen som vanligtvis håller det spännande nukleonparet på plats.
Tidigare forskning om tvåkroppskollisioner koncentrerades på spridningshändelser där den studsande elektronen och båda utdrivna nukleoner observerades. Genom att märka alla partiklar kunde de bestämma det relativa antalet proton-protonpar och proton-neutron par. Men eftersom dessa "trippelsammanfall"-händelser är ytterst ovanliga, var det nödvändigt att noggrant överväga eventuella ytterligare interaktioner mellan nukleoner som kan påverka antalet för analysen.
Spegelkärnor ökar precisionen
I den nya studien visade fysiker ett sätt att fastställa det relativa antalet proton-proton- och proton-neutronpar utan att detektera de utstötta nukleonerna. Mätning av spridning från två "spegelkärnor" med samma antal nukleoner - tritium, en sällsynt väteisotop med en proton och två neutroner, och helium-3, som har två protoner och en neutron – var tricket. Helium-3 ser ut precis som tritium med protoner och neutroner utbytta, och denna symmetri gjorde det möjligt för fysiker att särskilja kollisioner som involverar protoner från neutroner genom att jämföra deras två datamängder.
Fysiker började arbeta med spegelkärnor efter att ha planerat att utveckla en tritiumgascell för elektronspridningsexperiment. Detta är den första användningen av denna sällsynta och temperamentsfulla isotop på decennier.
Genom detta experiment samlade forskare in mer data än i tidigare experiment. Därför kan de förbättra precisionen för tidigare mätningar med en faktor tio.
De hade ingen anledning att förvänta sig att tvånukleonkollisioner skulle fungera annorlunda i tritium och helium-3 än i tyngre kärnor, så resultaten var ganska överraskande.
Arrington sade, "Dess klara helium-3 skiljer sig från den handfull tunga kärnor som uppmätts. Vi vill driva på för mer exakta mätningar på andra lätta kärnor för att ge ett definitivt svar."
Tidskriftsreferens:
- Li, S., Cruz-Torres, R., Santiesteban, N. et al. Avslöjar kortdistansstrukturen hos spegelkärnorna 3H och 3He. Natur 609, 41–45 (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05007-2
