Khi proton và neutron (nucleon) liên kết thành hạt nhân nguyên tử, chúng đủ gần để cảm nhận được lực hút hoặc lực đẩy đáng kể. Tương tác mạnh bên trong chúng dẫn đến va chạm mạnh giữa các nucleon.
Trong khi nghiên cứu những va chạm năng lượng này trong các hạt nhân nhẹ thông qua một kỹ thuật mới, các nhà vật lý đã phát hiện ra một điều đáng ngạc nhiên: các proton va chạm với các proton và neutron với đồng loại của chúng nơtron thường xuyên hơn dự kiến.
Trong nghiên cứu trước đó, các nhà khoa học đã kiểm tra các vụ va chạm hai nucleon đầy năng lượng trong một số lượng nhỏ các hạt nhân, từ chì (12 nucleon) đến carbon (12 nucleon) (với 208). Các phát hiện nhất quán cho thấy các vụ va chạm proton-neutron chiếm hơn 95% tổng số các vụ va chạm, trong đó các vụ va chạm proton-proton và neutron-neutron chiếm 5% còn lại.
Trong một thí nghiệm mới, các nhà vật lý đã nghiên cứu sự va chạm trong hai "hạt nhân gương" với ba nucleon mỗi hạt. Họ phát hiện ra rằng các vụ va chạm proton-proton và neutron-neutron là nguyên nhân gây ra tỷ lệ lớn hơn nhiều trong tổng số - khoảng 20%.
Một nhóm quốc tế đã phát hiện ra các nhà khoa học, bao gồm các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley của Bộ Năng lượng (Phòng thí nghiệm Berkeley). Đối với nghiên cứu, họ đã sử dụng Cơ sở Máy gia tốc chùm tia điện tử liên tục tại Cơ sở Máy gia tốc Quốc gia Thomas Jefferson của DOE (Phòng thí nghiệm Jefferson) ở Virginia.
Trong hầu hết các hạt nhân nguyên tử, các nucleon dành khoảng 20% cuộc đời của chúng ở trạng thái kích thích động lượng cao do va chạm giữa hai nucleon. Nghiên cứu những va chạm này đòi hỏi phải đánh dấu hạt nhân bằng chùm điện tử năng lượng cao. Sau đó, bằng cách đo năng lượng và góc giật của một electron phân tán, các nhà khoa học suy ra tốc độ mà hạt nhân nó va vào phải đang chuyển động.
John Arrington, một nhà khoa học của Berkeley Lab, là một trong bốn người phát ngôn cho sự hợp tác, cho biết, “Điều này cho phép họ chọn ra các sự kiện trong đó một electron phân tán ra khỏi một proton động lượng cao mà gần đây đã va chạm với một nucleon khác.”
Các va chạm electron-proton này có một electron tới với năng lượng đủ để loại bỏ hoàn toàn chất kích thích proton từ hạt nhân. Nucleon thứ hai cũng thoát khỏi hạt nhân vì điều này phá vỡ tương tác giống như dây cao su thường giữ cặp nucleon kích thích tại chỗ.
Nghiên cứu trước đây về va chạm giữa hai vật thể tập trung vào các sự kiện tán xạ nơi quan sát thấy điện tử bật lại và cả hai nucleon bị giải phóng. Bằng cách gắn thẻ tất cả các hạt, họ có thể xác định số lượng tương đối của các cặp proton-proton và proton-neutron cặp. Tuy nhiên, vì những sự kiện “trùng hợp ba lần” này cực kỳ không phổ biến, nên việc xem xét cẩn thận bất kỳ tương tác bổ sung nào giữa các nucleon có thể ảnh hưởng đến số lượng là cần thiết để phân tích.
Hạt nhân gương tăng độ chính xác
Trong nghiên cứu mới, các nhà vật lý đã chứng minh một cách để thiết lập số lượng tương đối của các cặp proton-proton và proton-neutron mà không cần phát hiện ra các nucleon được phóng ra. Phép đo sự tán xạ từ hai "hạt nhân gương" có cùng số nucleon - triti, một đồng vị hiđrô hiếm có một proton và hai neutron, và helium-3, có hai proton và một neutron - là một mẹo nhỏ. Helium-3 trông giống như tritium với các proton và neutron được hoán đổi, và sự đối xứng này cho phép các nhà vật lý phân biệt các vụ va chạm liên quan đến proton với neutron bằng cách so sánh hai tập dữ liệu của chúng.
Các nhà vật lý bắt đầu nghiên cứu hạt nhân gương sau khi lên kế hoạch phát triển một tế bào khí triti cho các thí nghiệm tán xạ điện tử. Đây là lần đầu tiên sử dụng đồng vị hiếm và có tính ôn hòa này trong nhiều thập kỷ.
Thông qua thí nghiệm này, các nhà khoa học đã thu thập được nhiều dữ liệu hơn so với các thí nghiệm trước đó. Do đó, họ có thể cải thiện độ chính xác của các phép đo trước đó lên hệ số mười.
Họ không có lý do để mong đợi các vụ va chạm hai nucleon sẽ hoạt động khác nhau ở tritium và helium-3 so với ở các hạt nhân nặng hơn, vì vậy kết quả khá bất ngờ.
Arrington nói, “Heli-3 rõ ràng của nó khác với số ít các hạt nhân nặng được đo. Chúng tôi muốn thúc đẩy các phép đo chính xác hơn trên các hạt nhân ánh sáng khác để đưa ra câu trả lời chắc chắn ”.
Tạp chí tham khảo:
- Li, S., Cruz-Torres, R., Santiesteban, N. và cộng sự. Tiết lộ cấu trúc tầm ngắn của các hạt nhân gương 3H và 3He. Thiên nhiên 609, 41–45 (năm 2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05007-2
