Eksotiske atomkerner afslører spor af ny form for superfluiditet

Nylige observationer af den indre struktur af den sjældne isotop ruthenium-88 kaster nyt lys over den indre struktur af atomkerner, et gennembrud, der også kunne føre til yderligere indsigt i, hvordan nogle kemiske grundstoffer i naturen og deres isotoper dannes.

Anført af Bo Cederwall, Professor i eksperimentel kernefysik ved KTH Kgl. et internationalt forskerhold identificerede nye rotationstilstande i de ekstremt neutronmangelfulde, deform, atomkerne ⁸⁸ Ru. Resultaterne tyder på, at strukturen af ​​dette eksotiske kernesystem er stærkt påvirket af tilstedeværelsen af ​​stærkt koblede neutron-proton-par.

"En sådan struktur er fundamentalt forskellig fra de normale forhold observeret i atomkerner, hvor neutroner og protoner interagerer i par i separate systemer, danner en næsten superflydende tilstand, " siger Cederwall.

Resultaterne kan også foreslå alternative forklaringer på, hvordan produktionen af ​​forskellige kemiske grundstoffer, og især deres mest neutronfattige isotoper, fortsætter i nukleosyntesereaktionerne i visse stjernemiljøer, såsom neutronstjerne-rød kæmpe binære, han siger.

Opdagelsen, som blev offentliggjort den 12. februar i tidsskriftet, Fysisk gennemgangsbreve , resultater fra et eksperiment på Grand Accelérateur National d'Ions Lourds (GANIL), Frankrig, ved hjælp af Advanced Gamma Tracking Array (AGATA).

Forskerne brugte nukleare kollisioner til at skabe meget ustabile atomkerner med lige mange neutroner og protoner. Deres struktur blev undersøgt ved hjælp af følsomme instrumenter, inklusive AGATA, at detektere den stråling, de udsender i form af højenergifotoner, neutroner, protoner og andre partikler.

Ifølge standardmodellen for partikelfysik, der beskriver de elementære partikler og deres interaktioner, der er to generelle typer partikler i naturen; bosoner og fermioner, som har heltals og halvt heltals spin, henholdsvis. Eksempler på fermioner er fundamentale partikler som elektronen og elektronneutrinoen, men også sammensatte partikler som protonen og neutronen og deres grundlæggende byggesten, kvarkerne. Eksempler på bosoner er de grundlæggende kraftbærere; fotonen, de mellemliggende vektorbosoner, gluonerne og gravitonen.

Egenskaberne for et system af partikler adskiller sig betydeligt, alt efter om det er baseret på fermioner eller bosoner. Som et resultat af Pauli-princippet om kvantemekanik, i et system af fermioner (såsom en atomkerne) kan kun én partikel holde en bestemt kvantetilstand på et bestemt tidspunkt i rum og tid. For at flere fermioner skal optræde sammen, mindst én egenskab for hver fermion, såsom dets spin, skal være anderledes. Ved lave temperaturer kan systemer af mange fermioner udvise kondensater af parrede partikler, manifesteret som superfluiditet for uladede partikler (f.eks. den superfluid 3He), og superledningsevne for ladede partikler, såsom elektroner i en superleder under den kritiske temperatur. Bosoner, på den anden side, kan kondensere individuelt med et ubegrænset antal partikler i samme tilstand, såkaldte Bose-Einstein-kondensater.

I de fleste atomkerner, der er tæt på linjen for beta-stabilitet og i deres grundtilstand, eller ophidset til en energi, der ikke er for højt over den, den grundlæggende struktur ser ud til at være baseret på par-korrelerede kondensater af partikler med det samme isospin kvantetal, men med modsatte spin. Det betyder, at neutroner og protoner er parret adskilt fra hinanden. Disse isovektorpar-korrelationer giver anledning til egenskaber svarende til superfluiditet og superledning. I deforme kerner, denne struktur afsløres for eksempel som diskontinuiteter i rotationsfrekvensen, når kernens rotationsexcitationsenergi øges.

Sådanne diskontinuiteter, som blev opdaget allerede i begyndelsen af ​​1970'erne af KTH professor emeritus Arne Johnson, er blevet mærket "backbending". Rygbøjningsfrekvensen er et mål for den energi, der kræves for at bryde et neutron- eller protonpar og afspejler derfor også den energi, der frigives ved dannelsen af ​​et par nukleoner i kernen. Der er mangeårige teoretiske forudsigelser om, at systemer af neutron-proton-par kan blandes med, eller endda erstatte, standard isovektorpar-korrelationer i eksotiske atomkerner med lige mange protoner og neutroner. Den nukleare struktur, der er et resultat af den isoskalære komponent af sådanne parkorrelationer, er forskellig fra den, der findes i "almindelige" atomkerner tæt på stabilitet. Blandt forskellige mulige eksperimentelle observerbare, tilbagebøjningsfrekvensen i deformerede kerner forventes at stige betydeligt sammenlignet med kerner med forskelligt antal neutroner og protoner.

KTH-forskergruppen har tidligere observeret beviser for stærke neutron-proton-korrelationer i den sfæriske kernekerne 92Pd, som blev offentliggjort i tidsskriftet Natur . Ruthenium isotopen ⁸⁸ Ru, med 44 neutroner og 44 protoner, er deformeret og udviser en rotationslignende struktur, der nu er blevet observeret op til højere spin, eller rotationsfrekvens, end tidligere muligt. Den nye måling giver en anden vinkel på kerneparskorrelationer sammenlignet med det tidligere arbejde. Ved at bekræfte de teoretiske forudsigelser om et skift mod højere tilbagebøjningsfrekvens giver det supplerende beviser for forekomsten af ​​stærke isoskalære parkorrelationer i de tungeste kernesystemer med lige mange neutroner og protoner.