Naturen af ​​nukleare kræfter indprentet i fotoner

IFJ PAN-forskere bekræftede sammen med kolleger fra University of Milano (Italien) og andre lande behovet for at inkludere tre-nukleon-interaktionerne i beskrivelsen af ​​elektromagnetiske overgange i ²⁰ O atomkerne. Vital for validering af de moderne teoretiske beregninger af den nukleare struktur var anvendelsen af ​​state-of-the-art gammastråledetektorsystemer og den nyudviklede teknik til målinger af femtosekunds levetid i eksotiske kerner produceret i tung-ion dyb-uelastiske reaktioner.

Atomkerner består af nukleoner - protoner og neutroner. Protoner og neutroner er systemer af kvarker og gluoner, der holdes sammen af ​​stærke nukleare interaktioner. Fysikken af ​​kvarker og gluoner er beskrevet af kvantekromodynamik (QCD), så vi kunne forvente, at kernekræfternes egenskaber også ville være resultatet af denne teori. Desværre, trods mange forsøg, at bestemme karakteristika for stærke interaktioner baseret på QCD står over for enorme beregningsmæssige vanskeligheder. Imidlertid, man ved relativt meget om kernekræfternes egenskaber - denne viden er baseret på mange års eksperimenter. Der blev også udviklet teoretiske modeller, der kan reproducere de grundlæggende egenskaber af kræfter, der virker mellem et par nukleoner - de gør brug af de såkaldte effektive nukleon-nukleon-interaktionspotentialer.

At kende detaljerne i interaktionen mellem to nukleoner, vi ville forvente, at beskrivelsen af ​​strukturen af ​​enhver atomkerne ikke vil være et problem. Overraskende nok, det viser sig, at når en tredje nukleon føjes til to-nukleonsystemet, tiltrækningen mellem de første to nukleoner øges. Hvad der følger, styrken af ​​vekselvirkningen mellem komponenterne i hvert par nukleoner i tre-kropssystemet øges - en yderligere kraft dukker op, som ikke ser ud til at eksistere i tilfælde af et isoleret par. Dette forvirrende bidrag kaldes den irreducible tre-nukleon kraft.

Denne situation viste sig at være en inspiration for forskerne fra Institut for Nuklear Fysik ved det polske videnskabsakademi og deres kolleger fra Milanos Universitet. De indså, at en perfekt test for tilstedeværelsen af ​​tre-nukleon-interaktioner i kerner kunne være at bestemme levetiden for udvalgte exciterede tilstande i neutronrige oxygen- og kulstofisotoper. Som et resultat af detaljerede analyser, konceptet om et eksperiment blev født, hvis koordinatorer blev prof. Silvia Leoni fra universitetet i Milano og dr. Michal Ciemala og prof. Bogdan Fornal fra IFJ PAN. Forskere, der arbejder ved det franske GANIL-laboratorium i Caen og andre forskningsinstitutioner fra hele verden, blev også inviteret til at samarbejde i dette projekt.

"Eksperimentet fokuserede på at bestemme levetiden af ​​exciterede nukleare tilstande for neutronrige kulstof- og oxygenisotoper, ¹⁶ C og ²⁰ Åh, " forklarer prof. Fornal. "I disse kerner, de ophidsede tilstande dukker op, som synes at være særligt følsomme over for inddragelsen i beregningerne af tre-legeme-interaktionen (nukleon-nukleon-nukleon-NNN) foruden to-legeme-kerne-interaktionen (nukleon-nukleon-NN). I tilfælde af ²⁰ O kerne, levetiden for den anden exciterede tilstand 2+, beregnet kun for NN-interaktionen, skal være 320 femtosekunder, mens der tages hensyn til NN- og NNN-interaktionerne, beregningerne giver resultatet på 200 femtosekunder. For den anden tilstands levetid 2+ in ¹⁶ C, forskellen er endnu større:370 femtosekunder (NN) versus 80 femtosekunder (NN + NNN)."

Eksperimentet dedikeret til at måle levetider blev udført på GANIL forskningscenter i Caen, Frankrig. Forskere brugte gammastrålingsdetektorer (AGATA og PARIS) forbundet med et magnetisk spektrometer (VAMOS). Reaktionen af ​​en 18O-stråle med et 181Ta-mål genererede exciterede atomkerner af elementer som B, C, N, O og F som et resultat af dyb uelastisk spredning eller nukleonoverførselsprocesser. I de undersøgte bevægelige kerner, de exciterede kvantetilstande henfaldt af emissionen af ​​højenergifotoner, hvis energi blev forskudt i forhold til energien fra overgange i hvilerammen. Dette skift afhænger af hastigheden af ​​den fotonemitterende kerne og emissionsvinklen. Dette fænomen er beskrevet af den relativistiske Doppler-formel.

For levetider på nuklear niveau, der er kortere end flyvetiden for den exciterede kerne gennem målet (ca. 300 femtosekunder), gamma-kvantemission sker for det meste, når kernen stadig er i målet. I det beskrevne tilfælde målte videnskabsmænd kernehastigheden efter dens passage gennem målet. Ved at bruge denne hastighed til at korrigere spektret af gammastrålingsenergi, opnåede spektrallinjer har formen svarende til Gauss-fordelingen i tilfælde, hvor levetiden for den exciterede tilstand er lang. For levetider fra 100 til 200 femtosekunder viser spektrallinjer en asymmetrisk komponent, og for levetider mindre end 100 femtosekunder er de fuldstændigt forskudt til mindre energier.

"For at bestemme levetiden, vi udførte simuleringer og sammenlignede deres resultater med det målte spektrum af gammastrålingsenergi, " siger Dr. Ciemala, forfatteren til begrebet måling af nuklear tilstands henfaldstid brugt i eksperimentet. "I disse undersøgelser, metoden beskrevet ovenfor blev anvendt for første gang til at bestemme levetiden af ​​exciterede tilstande i kerner produceret i dyb-uelastiske reaktioner. Det krævede udvikling af avancerede Monte Carlo-simuleringskoder, der inkluderede reaktionskinematik og reproducerede de målte hastighedsfordelinger af reaktionsprodukter. Den anvendte metode, i forbindelse med de anvendte detektionssystemer, bragt meget tilfredsstillende resultater."

Den beskrevne forskning gjorde det for første gang muligt for videnskabsmænd at måle levetiden af ​​ti og hundreder af femtosekunder af en nuklear tilstand skabt i en dyb-uelastisk reaktion - i det beskrevne tilfælde var det den anden tilstand 2+ i ²⁰ O-kerne, for hvilken levetiden på 150 femtosekunder blev opnået. Gyldigheden af ​​den nye metode blev demonstreret ved at bestemme levetiderne for de exciterede tilstande i ¹⁹ O kerne, der stemte helt overens med litteraturdataene. Det skal understreges, at levetiden for den anden 2+ tilstand i ²⁰ Åh, opnået i dette arbejde, stemmer kun overens med de teoretiske forudsigelser, hvis to- og trekropsinteraktioner tages i betragtning på samme tid. Dette fører til den konklusion, at de målemængder, der tilvejebringes af elektromagnetiske overgange og opnået ved hjælp af præcis gammaspektroskopi, kan være meget gode sonder til at vurdere kvaliteten af ​​ab initio-beregninger af den nukleare struktur.

"Denne udviklede banebrydende procedure vil hjælpe os med at måle levetiden af ​​exciterede tilstande for meget eksotiske kerner langt fra stabilitetsdalen, som kan skabes i dyb-uelastiske reaktioner ved hjælp af højintensive radioaktive stråler, som snart er tilgængelig, for eksempel, på INFN Laboratori Nazionali di Legnaro nær Padua i Italien, " argumenterer prof. Fornal. "Den opnåede information vil være essentiel for nuklear astrofysik og helt sikkert bidrage til fremskridt i forståelsen af ​​dannelsen af ​​atomkerner i den hurtige neutronfangstproces i supernovaeksplosioner eller sammensmeltningen af ​​neutronstjerner, som for nylig er blevet observeret ved at måle gravitationsbølger sammen med gammastråling."