Forskere tester den måde, vi forstår kræfter i universet

En opdagelse af et hold forskere ledet af UMass Lowell-kernefysikere kunne ændre, hvordan atomer forstås af videnskabsmænd og hjælpe med at forklare ekstreme fænomener i det ydre rum.

Forskernes gennembrud afslørede, at en symmetri, der eksisterer inden for atomets kerne, ikke er så fundamental, som videnskabsmænd har troet. Opdagelsen kaster lys over de kræfter, der virker i atomernes kerne, åbner døren til en større forståelse af universet. Resultaterne blev offentliggjort i dag i Natur , en af ​​verdens førende videnskabelige tidsskrifter.

Opdagelsen blev gjort, da det UMass Lowell-ledede hold arbejdede på at bestemme, hvordan atomkerner skabes i røntgenudbrud - eksplosioner, der sker på overfladen af ​​neutronstjerner, som er resterne af massive stjerner i slutningen af ​​deres liv.

"Vi studerer, hvad der sker inde i kernerne i disse atomer for bedre at forstå disse kosmiske fænomener og, ultimativt, at besvare et af de største spørgsmål i videnskaben – hvordan de kemiske grundstoffer skabes i universet, " sagde Andrew Rogers, UMass Lowell assisterende professor i fysik, hvem leder forskergruppen.

Forskningen er støttet af et tilskud fra det amerikanske energiministerium til UMass Lowell og blev udført på National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) ved Michigan State University. På laboratoriet, videnskabsmænd skaber eksotiske atomkerner for at måle deres egenskaber for at forstå deres rolle som stoffets byggesten, kosmos og livet selv.

Atomer er nogle af de mindste enheder af stof. Hvert atom inkluderer elektroner, der kredser omkring en lille kerne dybt inde i sin kerne, som indeholder næsten al sin masse og energi. Atomkerner er sammensat af to næsten identiske partikler:ladede protoner og uladede neutroner. Antallet af protoner i en kerne bestemmer hvilket grundstof atomet tilhører i det periodiske system og dermed dets kemi. Isotoper af et element har samme antal protoner, men et andet antal neutroner.

På NSCL, kerner blev accelereret til tæt på lysets hastighed og knust i fragmenter, hvilket skabte strontium-73 - en sjælden isotop, der ikke findes naturligt på Jorden, men som kan eksistere i korte perioder under voldsomme termonukleære røntgenudbrud på overfladen af ​​neutronstjerner . Denne isotop af strontium indeholder 38 protoner og 35 neutroner og lever kun i en brøkdel af et sekund.

Arbejder døgnet rundt over otte dage, holdet skabte mere end 400 strontium-73 kerner og sammenlignede dem med de kendte egenskaber af brom-73, en isotop, der indeholder 35 protoner og 38 neutroner. Med ombyttet antal protoner og neutroner, brom-73 kerner betragtes som "spejlpartnere" til strontium-73 kerner. Spejlsymmetri i kerner eksisterer på grund af lighederne mellem protoner og neutroner og ligger til grund for forskernes forståelse af atomfysik.

Omtrent hver halve time, forskerne skabte en strontium-73 kerne, transporterede den gennem NSCL's isotopseparator og bragte derefter kernen til et stop i midten af ​​et komplekst detektorarray, hvor de kunne observere dens adfærd. Ved at studere det radioaktive henfald af disse kerner, forskerne fandt ud af, at strontium-73 opførte sig helt anderledes end brom-73. Opdagelsen rejser nye spørgsmål om atomkræfter, ifølge Rogers.

"Strontium-73 og brom-73 bør fremstå identiske i strukturen, men gør overraskende nok ikke, vi fandt. At sondere symmetrier, der findes i naturen, er et meget kraftfuldt værktøj for fysikere. Når symmetrier nedbrydes, der fortæller os, at der er noget galt i vores forståelse, og vi skal se nærmere, " sagde Rogers.

Hvad forskerne så vil udfordre atomteori, ifølge Daniel Hoff, en UMass Lowell forskningsmedarbejder, der var hovedforfatter til artiklen offentliggjort i Natur .

"At sammenligne strontium-73 og brom-73 kerner var som at kigge i et spejl og ikke genkende dig selv. Da vi først overbeviste os selv om, at det vi så var virkeligt, vi var meget spændte, " sagde Hoff.

Sammen med Rogers, en Somerville -beboer, og Hoff af Medford, UMass Lowell -teamet omfattede fysikafdelingens fakultetsmedlemmer Assistent Prof. Peter Bender, Emeritus prof. C.J. Lister og tidligere UMass Lowell forskningsassistent Chris Morse. Fysik kandidatstuderende Emery Doucet of Mason, N.H., og Sanjanee Waniganeththi fra Lowell bidrog også til projektet.

Som en del af teamets undersøgelse, state-of-the-art teoretiske beregninger blev udført af Simin Wang, en forskningsmedarbejder ved Michigan State, og instrueret af Witold Nazarewicz, MSU's John A. Hannah Distinguished Professor of Physics og chefforsker ved Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), som åbner næste år.

Forskernes arbejde "giver enestående indsigt i strukturen af ​​sjældne isotoper, " sagde Nazarewicz. "Men der er stadig meget at gøre. Nye faciliteter kommer online, såsom FRIB på MSU, vil give manglende ledetråde til en dybere forståelse af spejlsymmetri-puslespillet. Jeg er glad for, at de eksotiske bjælker leveret af vores anlæg, unik instrumentering og teoretiske beregninger kunne bidrage til dette storslåede værk."

Planer for flere eksperimenter er allerede i gang, som forskerne søger at forfine og bekræfte deres observationer og studere disse isotoper yderligere.