เมื่อโปรตอนและนิวตรอน (นิวคลีออน) จับกับนิวเคลียสของอะตอม พวกมันอยู่ใกล้พอที่จะรู้สึกถึงแรงดึงดูดหรือแรงผลักที่สำคัญ ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งภายในพวกมันนำไปสู่การชนกันอย่างหนักระหว่างนิวคลีออน
ขณะศึกษาการชนกันของพลังงานในนิวเคลียสของแสงด้วยเทคนิคใหม่ นักฟิสิกส์พบบางสิ่งที่น่าแปลกใจ: โปรตอนชนกับโปรตอนและนิวตรอนของเพื่อน นิวตรอน บ่อยกว่าที่คาดไว้
ในการวิจัยก่อนหน้านี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ตรวจสอบการชนกันของสองนิวคลีออนที่มีพลังในนิวเคลียสจำนวนน้อย ตั้งแต่ตะกั่ว (12 นิวคลีออน) ไปจนถึงคาร์บอน (12 นิวคลีออน) (กับ 208) การค้นพบที่สม่ำเสมอแสดงให้เห็นว่าการชนกันของโปรตอน-นิวตรอนคิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 95% ของการชนทั้งหมด โดยที่การชนกันของโปรตอน-โปรตอนและนิวตรอน-นิวตรอนคิดเป็น 5% ที่เหลือ
ในการทดลองใหม่ นักฟิสิกส์ได้ศึกษาการชนกันของ "นิวเคลียสกระจก" สองนิวเคลียส โดยแต่ละนิวเคลียสสามนิวคลีออน พวกเขาพบว่าการชนกันของโปรตอน-โปรตอนและนิวตรอน-นิวตรอนมีส่วนทำให้เกิดส่วนรวมที่ใหญ่กว่ามาก - ประมาณ 20%
ทีมนานาชาติค้นพบนักวิทยาศาสตร์ รวมทั้งนักวิจัยจาก ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Berkeley ของ Department of Energy (เบิร์กลีย์แล็บ). สำหรับการศึกษานี้ พวกเขาได้ใช้สิ่งอำนวยความสะดวกในการเร่งลำแสงอิเล็กตรอนแบบต่อเนื่องที่ DOE's Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) ในเวอร์จิเนีย
ในนิวเคลียสของอะตอมส่วนใหญ่ นิวคลีออนใช้เวลาประมาณ 20% ของชีวิตในสภาวะตื่นเต้นที่มีโมเมนตัมสูงซึ่งเป็นผลมาจากการชนกันของนิวคลีออนสองนิวคลีออน การศึกษาการชนเหล่านี้ต้องใช้นิวเคลียสที่มีการปะทะด้วยลำแสงอิเล็กตรอนพลังงานสูง จากนั้น โดยการวัดพลังงานของอิเล็กตรอนที่กระจัดกระจายและมุมการหดตัว นักวิทยาศาสตร์ได้อนุมานว่าความเร็วที่นิวคลีออนที่ชนต้องเคลื่อนที่
John Arrington นักวิทยาศาสตร์จาก Berkeley Lab เป็นหนึ่งในสี่โฆษกของการทำงานร่วมกันกล่าวว่า "สิ่งนี้ช่วยให้พวกเขาเลือกเหตุการณ์ที่อิเล็กตรอนกระจัดกระจายโปรตอนโมเมนตัมสูงที่เพิ่งชนกับนิวคลีออนอื่น"
การชนกันของอิเล็กตรอน-โปรตอนเหล่านี้มีอิเล็กตรอนที่เข้ามาซึ่งมีพลังงานเพียงพอที่จะขจัดความตื่นเต้นออกให้หมด โปรตอน จากนิวเคลียส นิวคลีออนที่สองยังหนีจากนิวเคลียสเพราะสิ่งนี้ขัดขวางปฏิสัมพันธ์ที่เหมือนแถบยางซึ่งมักจะยึดคู่นิวคลีออนที่น่าตื่นเต้นไว้กับที่
การวิจัยก่อนหน้านี้เกี่ยวกับการชนกันของสองร่างมุ่งเน้นไปที่เหตุการณ์กระเจิงซึ่งสังเกตอิเล็กตรอนที่สะท้อนกลับและนิวคลีออนที่ถูกขับออกมาทั้งสอง โดยการแท็กอนุภาคทั้งหมด พวกเขาสามารถกำหนดจำนวนสัมพัทธ์ของคู่โปรตอน-โปรตอนและ โปรตอน-นิวตรอน คู่ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเหตุการณ์ "ความบังเอิญสามเท่า" เหล่านี้เป็นเรื่องผิดปกติอย่างยิ่ง การพิจารณาอย่างรอบคอบถึงปฏิสัมพันธ์เพิ่มเติมใดๆ ระหว่างนิวคลีออนที่อาจส่งผลต่อการนับจึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการวิเคราะห์
นิวเคลียสกระจกเพิ่มความแม่นยำ
ในการศึกษาครั้งใหม่ นักฟิสิกส์ได้สาธิตวิธีสร้างจำนวนสัมพัทธ์ของคู่โปรตอน-โปรตอนและโปรตอน-นิวตรอนโดยไม่ตรวจจับนิวคลีออนที่พุ่งออกมา การวัดการกระเจิงจาก “นิวเคลียสกระจก” สองตัวที่มีนิวคลีออนจำนวนเท่ากัน—ทริเทียม ซึ่งเป็นไอโซโทปไฮโดรเจนที่หายากซึ่งมีโปรตอนหนึ่งตัวและนิวตรอนสองนิวตรอน และ ฮีเลียม 3ซึ่งมีโปรตอนสองตัวและนิวตรอนหนึ่งตัว—เป็นกลอุบาย ฮีเลียม-3 ดูเหมือนไอโซโทปที่มีโปรตอนและนิวตรอนสลับกัน และสมมาตรนี้ช่วยให้นักฟิสิกส์แยกแยะการชนที่เกี่ยวข้องกับโปรตอนกับนิวตรอนได้โดยการเปรียบเทียบชุดข้อมูลทั้งสองชุด
นักฟิสิกส์เริ่มทำงานเกี่ยวกับนิวเคลียสของกระจกหลังจากวางแผนที่จะพัฒนาเซลล์ก๊าซไอโซโทปสำหรับการทดลองกระเจิงอิเล็กตรอน นี่เป็นครั้งแรกที่ใช้ไอโซโทปหายากและเจ้าอารมณ์นี้เป็นครั้งแรกในรอบหลายทศวรรษ
จากการทดลองนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้รวบรวมข้อมูลมากกว่าการทดลองครั้งก่อน ดังนั้นพวกเขาจึงสามารถปรับปรุงความแม่นยำของการวัดก่อนหน้านี้ได้ถึงสิบเท่า
พวกเขาไม่มีเหตุผลที่จะคาดหวังว่าการชนกันของสองนิวคลีออนจะทำงานแตกต่างกันในทริเทียมและฮีเลียม-3 มากกว่าในนิวเคลียสที่หนักกว่า ดังนั้นผลลัพธ์จึงค่อนข้างน่าประหลาดใจ
อาร์ริงตัน กล่าวว่า, “ฮีเลียม-3 ที่ชัดเจนของมันแตกต่างจากนิวเคลียสหนักจำนวนหนึ่งที่วัดได้ เราต้องการผลักดันให้มีการวัดที่แม่นยำยิ่งขึ้นบนนิวเคลียสแสงอื่นเพื่อให้ได้คำตอบที่ชัดเจน”
การอ้างอิงวารสาร:
- Li, S. , Cruz-Torres, R. , Santisteban, N. et al. เผยโครงสร้างระยะใกล้ของนิวเคลียสกระจก 3H และ 3He ธรรมชาติ 609, 41–45 (2022). ดอย: 10.1038/s41586-022-05007-2
