Fysikere studerer spejlkerner til præcisionsteoritest

Det er ikke ofte i kernefysik, at man tydeligt kan se begge sider af historien, men et nyligt eksperiment tillod forskere at gøre netop det. De sammenlignede meget lignende kerner med hinanden for at få et klarere overblik over, hvordan kernernes komponenter er arrangeret, og fandt ud af, at der stadig er mere at lære om stoffets kerne. Forskningen, udført ved Department of Energy's Thomas Jefferson National Accelerator Facility, blev for nylig udgivet som en redaktørs foreslået læst ind Fysisk gennemgangsbreve .

"Vi ønsker at studere nuklear struktur, som dybest set er, hvordan protoner og neutroner opfører sig inde i en kerne, " forklarer Reynier Cruz-Torres, en postdoc-forsker ved DOE's Lawrence Berkeley National Lab, der arbejdede på eksperimentet som kandidatstuderende ved Massachusetts Institute of Technology. "At gøre det, vi kan måle enhver kerne, som vi ønsker. Men for at lave en højpræcisionstest af atomteori, vi er begrænset til lette kerner, der har præcisionsberegninger. At måle disse lette kerner er et benchmark for at forstå nuklear struktur generelt."

Til denne måling, forskerne fokuserede på to af de enkleste og letteste kerner i universet:helium og brint. De fokuserede på en isotop af helium kaldet helium-3, såkaldt, fordi det kun indeholder tre hovedkomponenter:to protoner og en neutron. Isotopen af ​​brint, som de testede, tritium, er også sammensat af tre komponenter:en proton og to neutroner.

"De er spejlkerner. Så, du kan antage, at protonerne i helium-3 stort set er de samme som neutronerne i tritium og omvendt, " siger Florian Hauenstein, en fælles postdoc-forsker ved Old Dominion University og MIT.

Ifølge forskerne, ved at sammenligne disse relativt simple kerner, de kan få et vindue ind i de stærke nukleare interaktioner, som ikke kan duplikeres andre steder. Det er fordi som nogle af de letteste og mindst komplicerede af kernerne i universet, disse kerner er fremragende eksempler til sammenligning med de avancerede teorier, der beskriver de grundlæggende strukturer af forskellige kerner.

"Teoriberegningerne har været der i et stykke tid, men vi vidste ikke hvor gode de er, " forklarer Dien Nguyen, en postdoc-forsker ved MIT og kommende Nathan Isgur Fellow i Nuclear Experiment ved Jefferson Lab. "Så, med denne forskning, vi er i stand til kvantitativt at sige, hvor godt regnestykket er. Jeg synes, det er et rigtig vigtigt skridt."

For at foretage sammenligningen, forskerne målte begge kerner i højpræcisionsforsøg i Continuous Electronic Beam Accelerator Facility (CEBAF), en DOE-brugerfacilitet baseret på Jefferson Lab.

Elektroner fra CEBAF var rettet mod kernerne af tritium og helium-3, hvor nogle interagerede med kernernes protoner. De ramte protoner og de interagerende elektroner blev derefter fanget og målt i store detektorer kaldet spektrometre i Jefferson Labs eksperimenthal A.

"Vi bruger spektrometrene til at studere egenskaberne af disse sluttilstandspartikler og se tilbage til kernen og forsøge at forstå, hvad der skete inde i kernen, før reaktionen fandt sted, siger Cruz-Torres.

Dette eksperiment var udfordrende og banebrydende, idet det blev udført ved en bredere vifte af energier med hidtil uset præcision. Ud over, tritium-dataene er de allerførste nogensinde til at studere disse reaktioner.

Forskerne sammenlignede derefter hele rækken af ​​data fra eksperimenterne med teoriberegninger om strukturerne af kernerne i helium-3 og tritium. De fandt ud af, at dataene generelt matchede teorien godt for begge kerner til den præcision, som eksperimentet tillader, en bedrift, der af en forsker blev beskrevet som en triumf for nutidens kernefysik. Imidlertid, der blev også observeret forskelle i forhold til nogle af beregningerne, hvilket indikerer, at yderligere forbedringer i de teoretiske behandlinger er påkrævet.

"Vi forventede, at helium-3-beregningerne i slutningen nemt ville matche dataene, men det viste sig faktisk, at tritium-tværsnittet passede meget godt til teoriberegningen, og helium-3 ikke så meget gennem hele området. Så, vi skal tilbage og se på helium-3, " forklarer Hauenstein.

Dien bekræfter, at dette uventede resultat nu er drivkraften til at fortsætte disse højpræcisionsstudier af lette kerner for alvor.

"Før, vi troede, at vi havde en meget god forståelse af beregningerne, " siger Nguyen. "Men nu, resultatet er det, der driver os til at foretage en endnu mere detaljeret måling, fordi vi vil sikre os, at vi har en god overensstemmelse med teorien.«