Nukleare magiske tal kollapser ud over det dobbeltmagiske nikkel 78

Forskere fra RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Research og samarbejdspartnere har brugt centerets heavy ion-accelerator, RI Beam Factory, for at demonstrere, at nikkel-78, en neutronrig "dobbeltmagisk" isotop af nikkel med 28 protoner og 50 neutroner, bevarer stadig en sfærisk form, der gør den forholdsvis stabil trods den store ubalance i antallet af protoner og neutroner. De opdagede også en overraskelse-observationer fra eksperimentet tyder på, at nikkel-78 kan være den letteste kerne med 50 neutroner, der har en magisk natur. Lettere isotoner - hvilket betyder kerner med samme antal neutroner men forskelligt antal protoner - ville uundgåeligt blive deformeret, trods det magiske antal neutroner.

At gribe fat i gyldigheden af ​​de magiske tal i ekstremt neutronrige kerner er afgørende for at forstå, hvorfor vores univers har den blanding af kerner, som vi ser i dag. Grundstoffer, der er tungere end jern, syntetiseres ikke ved normal forbrænding af stjerner, men er hovedsageligt skabt gennem to processer kendt som s-processen og r-processen, som involverer kerner, der fanger ekstra neutroner. R-processen, hvor neutroner hurtigt absorberes, er særlig vigtig, da den er ansvarlig for dannelsen af ​​visse neutronrige kerner. Under processen, kerner akkumulerer neutroner, indtil de når en tilstand, hvor de ikke længere kan acceptere dem - denne tilstand er kendt som et ventepunkt - og derefter undergår en proces kendt som beta -henfald, hvor de mister en neutron, men får en proton, tillader dem at begynde at acceptere nye neutroner. R-processen, som tegner sig for omkring halvdelen af ​​produktionen af ​​kerner, der er tungere end jern, kan kun finde sted i ekstraordinære neutronrige miljøer såsom supernovaeksplosioner og neutronstjernefusioner som den, der blev observeret i 2017.

Den præcise placering af disse "ventepunkter" er ikke godt forstået, imidlertid. Komplicerer processen er, at magiske antal enten protoner eller neutroner - svarende til tanken om lukkede elektronskaller i kemi - gør kernerne mere modstandsdygtige over for at fange yderligere neutroner. Et velkendt magisk tal er 50 neutroner, men det har været uklart, om dette tal er bevaret for ekstremt neutronrige kerner.

For at få et svar, gruppen besluttede at eksperimentere med nikkel-78, en dobbelt magisk isotop, der først for nylig er blevet tilgængelig for eksperimenter takket være kraftige acceleratorer som RI Beam Factory i Japan, den, der blev brugt i denne undersøgelse. For at udføre eksperimentet, udgivet i Natur , forskerne kombinerede observationer fra MINOS -detektoren, der drives af CEA i Frankrig, og DALI2 -detektoren, der drives af RIKEN, begge placeret inden for RIBF -komplekset. De genererede en stråle af uranium-238 og brugte den til at bombardere et mål af beryllium, tvinger uranet til fission i isotoper som kobber-79 og zink-80-som begge har 50 neutroner.

Disse to bjælker blev derefter sendt for at ramme et brintmål, undertiden producerer nikkel-78, forskningens fokus.

Ved hjælp af gammastråldetektorer, gruppen demonstrerede, at nikkel-78 er relativt stabil, som forudsagt ved beregninger, opretholde en sfærisk snarere end deformeret form. Ryo Taniuchi fra University of Tokyo og RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science siger, "Vi var glade for at kunne vise eksperimentelt, at nikkel-78 beholder den sfæriske form, som beregninger forudsagde, at det ville. Vi blev overraskede, imidlertid, at opdage, at kernen også har en konkurrerende form, som ikke er kugleformet, og at enhver lettere isoton end den, vi brugte, ville blive udsat for denne deformation og ikke ville bevare dens magiske natur. "

Pieter Doornenbal fra Nishina Center siger, "Dette er et vigtigt fund, da det giver os ny indsigt i, hvordan magiske tal optræder og forsvinder hen over atomlandskabet og påvirker processen med nukleosyntese, der førte til den overflod af isotoper, vi ser i universet i dag. Vi agter at foretage yderligere forsøg med endnu lysere isotoner med 50 neutroner for eksperimentelt at demonstrere dette fund. "