Forskere afslører problemer med nuklear teori, observere ingen magisk adfærd ved N=32 laderadier af kaliumisotoper

Måling af størrelsen af ​​atomkerner har nogle gange været nyttig til at undersøge aspekter af nukleon-nukleon-interaktion og hovedegenskaberne af nukleart stof. Ladningsradius for atomkerner, som kan udvindes ved hjælp af laserspektroskopiteknikker, er følsom over for både kerneegenskaberne i kernestof og særligt subtile detaljer om interaktionerne mellem protoner og neutroner.

Mange nyere undersøgelser har således undersøgt egenskaberne af kerner med ubalancerede proton-til-neutron-forhold, kendt som eksotiske kerner. Disse eksotiske kerner har vist sig at udvise nye fænomener og har således vist sig værdifulde til at teste nuklear teori og forbedre den nuværende forståelse af nukleare kræfter.

Blandt andet, at undersøge eksotiske kerner kan hjælpe med at identificere nye magiske tal. I denne sammenhæng, udtrykket 'magiske tal' refererer til antallet af protoner eller neutroner, der svarer til fuldstændigt fyldte skaller i disse kerner.

Et forskerhold ledet af fysikere ved Instituut voor Kern-en Stralingsfysica, KU Leuven, i Belgien og ved Peking University i Kina har for nylig udført en undersøgelse, der undersøgte eksotiske kaliumisotoper med 32 neutroner, som blev forudsagt at være et magisk tal. Deres papir, udgivet i Naturfysik , præsenterer beviser, der udfordrer state-of-the-art nukleare teorier.

"Den magiske karakter af et proton- eller neutrontal, blandt andre, afspejles i en mindre størrelse af den magiske kerne, sammenlignet med sine naboer, "Agota Koszorus, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Der er flere velkendte magiske tal, såsom 2, 8 20 eller 28, dog i masseregionen af ​​kaliumisotoperne, 32 er blevet foreslået som et nyt magisk neutronnummer. Målet med vores eksperiment var at måle ladningsradiusen af ​​kaliumisotopen, som har 33 neutroner og give mulighed for sammenligning af størrelsen af ​​den foreslåede magi N =32 isotop til sin lighter (N =31) og tungere ( N =33) naboer."

At identificere nye magiske tal har været hovedformålet med mange nyere undersøgelser, der undersøger nukleare strukturer. At studere neutronrige isotoper som dem, der blev undersøgt af Koszorus og hendes kolleger, imidlertid, kan være meget udfordrende, af flere årsager.

For det første, disse isotoper kan kun produceres på radioaktive ionstråleanlæg som ISOLDE ved CERN. Ud over, de har generelt meget korte halveringstider (f.eks. 110 ms lang i tilfælde af ⁵² K). Det betyder, at når de først er produceret, har forskerne meget begrænset tid til at forberede dem til målinger og faktisk undersøge dem. I det konkrete tilfælde ⁵² K, en yderligere udfordring var den store isobariske forurening i strålen produceret hos ISOLDE.

" N =32 er et foreslået nyt neutronmagisk tal i Ca-regionen baseret på nuklear massemåling og 2 ⁺ energimåling, "Xiaofei Yang, en anden forsker involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Imidlertid, denne magiske effekt er endnu ikke blevet bekræftet fra de nukleare momenter eller radiusmålinger på grund af den begrænsede eksperimentelle information i Ca-regionen."

Koszorus, Yang og deres kolleger var de første til at studere ladningsradier ovenfor N =32 og dette tillod dem i sidste ende at afgøre, om den "magiske effekt" optrådte i kerneradierne. Et yderligere formål med deres undersøgelse var at undersøge de seneste fremskridt i udviklingen af ​​modeller baseret på nuklear teori.

"Selv om ionerne på ISOLDE-anlægget masseudvælges, før de leveres til forsøgsopstillingerne, der er en stabil chromisotop med meget ens masse, som er rigeligt i naturen, og i miljøet på produktionsstedet for ISOLDE, " Koszorus forklarede. "Det betød, at mens hver anden 200 ⁵² K isotoper blev leveret til vores eksperimentelle opsætning, 6 millioner stabile Cr-isotoper blev også leveret, hvilket resulterede i overvældende baggrundsrater. Vi var derfor nødt til at ændre vores opsætning til at stole på detektion af beta-partikler, der udsendes i det radioaktive henfald af ⁵² K. Stalden Cr kunne derfor ikke bidrage til baggrunden."

Interessant nok Koszorus, Yang og deres kolleger fandt ingen tegn på magisk adfærd i udviklingen af ​​kaliumisotopens nukleare størrelse på tværs af N =32 neutrontal. Forskerne sammenlignede også deres observationer med resultaterne af beregninger baseret på state-of-the-art teoretiske nukleare modeller, nemlig energitæthedsfunktionel (DFT) metode og koblet klynge (CC) teori.

"DFT er en ideel metode til tungere kerner, der henviser til, at CC-modellen er mere egnet til lette og mellemstore kerner, " sagde Koszorus. "Kaliumregionen er et overbevisende mødested for at teste disse tilgange samtidigt. Begge teoretiske metoder har brug for information om de nukleare interaktioner. Til dette formål, avancerede nukleare strukturmodeller blev anvendt:DFT-beregningerne brugte meget succesfulde Fayans energitæthedsfunktionelle og CC-beregninger brugte ab-initio chiralt potentiale."

Forskerne fandt ud af, at de teoretiske modeller med succes forudsagde ændringerne i de gennemsnitlige kvadratiske ladningsradier, som de observerede i isotoper under N =28 magisk tal. De modeller, de testede, så ud til at være nyttige til modellering af isotoper med uparrede protoner og neutroner.

"Fra sammenligningen mellem de målte og forudsagte ændringer i middelkvadratladningsradierne er det klart, at beregningerne klarer sig meget godt til at forudsige den generelle tendens under N =28 magisk tal, med succes påtage sig udfordringen med at modellere isotoper med uparrede protoner og neutroner, " sagde Koszorus. "Når man ser nærmere, imidlertid, det bliver tydeligt, at de ab initio koblede klyngeberegninger kommer til kort i at forudsige den stejle stigning i ladningsradierne for de neutronrige isotoper."

Forskerne antog, at problemerne og uoverensstemmelserne mellem de koblede klyngeberegninger og deres målinger kunne være rodfæstet i CC-modellens mange-kroppe. På den anden side, mens Fayans DFT-modellen forudsagde den generelle tendens, de observerede meget godt, den overvurderede variationen mellem størrelsen af ​​ulige og lige masse isotoper.

Samlet set, disse resultater tyder på, at eksisterende nukleare teorier muligvis skal perfektioneres yderligere, før de effektivt kan forudsige magiske tal i eksotiske isotoper. Med andre ord, det ser ud til, at den nuværende forståelse af de nukleare egenskaber og strukturen af ​​neutronrige isotoper stadig er meget begrænset. I fremtiden, metoderne brugt af dette hold af forskere kunne bruges til at studere andre eksotiske isotoper med kort levetid.

"Historien om de nyligt opståede magiske tal omkring kaliumisotoperne er langt fra slut, og et andet magisk tal blev foreslået ved neutron nummer 34, " sagde Koszorus. "Undersøgelsen af ​​disse kerner kræver endnu højere eksperimentel effektivt, da produktionsudbyttet er under 100 ioner pr. sekund. Vi arbejder løbende på teknisk udvikling for at forbedre vores eksperimentelle opsætning, og snart vil vi være klar til at skubbe grænserne eller de nuværende avancerede teknikker og teste vores forståelse af den nukleare struktur af meget neutronrige isotopkerner."

Et centralt mål for mange nukleare atomfysiske studier er at udforske grænserne og egenskaberne for atomkerner styret af kernekræfter, for bedre at forstå deres struktur. I deres næste undersøgelser, Koszorus, Yang og deres kolleger planlægger også at udvikle stadig mere avancerede laserspektroskopiteknikker, da disse kunne bruges til at undersøge atomkerner med større præcision og indsamle mere pålidelige målinger.

© 2021 Science X Network