Fysikere vender partikelacceleratoropsætningen for at få et klarere overblik over atomkerner

Fysikere ved MIT og andre steder sprænger stråler af ioner mod skyer af protoner - som at kaste nukleare pile med lysets hastighed - for at kortlægge strukturen af ​​et atoms kerne.

Eksperimentet er en inversion af de sædvanlige partikelacceleratorer, som kaster elektroner mod atomkerner for at undersøge deres strukturer. Holdet brugte denne "inverse kinematik"-tilgang til at fjerne det rodede, kvantemekaniske påvirkninger i en kerne, at give et klart overblik over en kernes protoner og neutroner, såvel som dets kortdistance-korrelerede (SRC) par. Disse er par af protoner eller neutroner, der kortvarigt binder sig til at danne supertætte dråber af nukleart stof, og som menes at dominere de ultratætte miljøer i neutronstjerner.

Resultaterne, offentliggjort i dag i Naturfysik , demonstrere, at omvendt kinematik kan bruges til at karakterisere strukturen af ​​mere ustabile kerner - essentielle ingredienser, videnskabsmænd kan bruge til at forstå neutronstjernernes dynamik og de processer, hvorved de genererer tunge grundstoffer.

"Vi har åbnet døren for at studere SRC-par, ikke kun i stabile kerner, men også i neutronrige kerner, der er meget rigeligt i miljøer som neutronstjernefusioner, " siger studiemedforfatter Or Hen, assisterende professor i fysik ved MIT. "Det får os tættere på at forstå sådanne eksotiske astrofysiske fænomener."

Hens medforfattere inkluderer Jullian Kahlbow og Efrain Segarra fra MIT, Eli Piasetzky fra Tel-Aviv Universitet, og forskere fra Darmstadts tekniske universitet, det fælles institut for nuklear forskning (JINR) i Rusland, den franske kommission for alternative energier og atomenergi (CEA), og GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research i Tyskland.

En omvendt accelerator

Partikelacceleratorer sonderer typisk nukleare strukturer gennem elektronspredning, hvor højenergielektroner udstråles mod en stationær sky af målkerner. Når en elektron rammer en kerne, det slår protoner og neutroner ud, og elektronen mister energi i processen. Forskere måler energien af ​​elektronstrålen før og efter denne interaktion for at beregne de oprindelige energier af de protoner og neutroner, der blev sparket væk.

Mens elektronspredning er en præcis måde at rekonstruere en kernes struktur på, det er også et hasardspil. Sandsynligheden for at en elektron rammer en kerne er relativt lav, givet, at en enkelt elektron er forsvindende lille i forhold til en hel kerne. For at øge denne sandsynlighed, stråler belastes med stadigt højere elektrontætheder.

Forskere bruger også stråler af protoner i stedet for elektroner til at sondere kerner, da protoner er forholdsvis større og mere tilbøjelige til at ramme deres mål. Men protoner er også mere komplekse, og lavet af kvarker og gluoner, hvis interaktioner kan mudre den endelige fortolkning af selve kernen.

For at få et klarere billede, fysikere i de senere år har omvendt den traditionelle opsætning:Ved at sigte en stråle af kerner, eller ioner, ved et mål af protoner, Forskere kan ikke kun direkte måle de udslåede protoner og neutroner, men sammenligne også den oprindelige kerne med den resterende kerne, eller nukleart fragment, efter at den har interageret med en målproton.

"Med omvendt kinematik, vi ved præcis, hvad der sker med en kerne, når vi fjerner dens protoner og neutroner, " siger Hen.

Kvantesigtning

Holdet tog denne omvendte kinematik tilgang til ultrahøje energier, ved at bruge JINR's partikelaccelerator-facilitet til at målrette en stationær sky af protoner med en stråle af kulstof-12-kerner, som de skød ud med 48 milliarder elektron-volt - størrelsesordener højere end de energier, der findes naturligt i kerner.

Ved så høje energier, enhver nukleon, der interagerer med en proton, vil skille sig ud i dataene, sammenlignet med ikke-interagerende nukleoner, der passerer igennem ved meget lavere energier. På denne måde forskerne kan hurtigt isolere enhver interaktion, der fandt sted mellem en kerne og en proton.

Fra disse interaktioner, holdet plukkede gennem de resterende atomfragmenter, leder efter bor-11 - en konfiguration af kulstof-12, minus en enkelt proton. Hvis en kerne startede som kulstof-12 og endte som bor-11, det kunne kun betyde, at det stødte på en målproton på en måde, der slog en enkelt proton ud. Hvis målprotonen slog mere end én proton ud, det ville have været resultatet af kvantemekaniske effekter i kernen, som ville være svære at fortolke. Holdet isolerede bor-11 som en klar signatur og kasserede enhver lighter, kvantepåvirkede fragmenter.

Holdet beregnede energien af ​​protonen slået ud af den oprindelige kulstof-12 kerne, baseret på hver interaktion, der producerede bor-11. Når de sætter energierne ind i en graf, mønsteret passede nøjagtigt til carbon-12's veletablerede fordeling - en validering af det omvendte, højenergitilgang.

De vendte derefter teknikken til kortdistance-korrelerede par, søger at se, om de kunne rekonstruere de respektive energier af hver partikel i et par - grundlæggende information for i sidste ende at forstå dynamikken i neutronstjerner og andre neutrontætte objekter.

De gentog eksperimentet og ledte denne gang efter bor-10, en konfiguration af kulstof-12, minus en proton og en neutron. Enhver påvisning af bor-10 ville betyde, at en kulstof-12-kerne interagerede med en målproton, som slog en proton ud, og dets bundne partner, en neutron. Forskerne kunne måle energierne af både målet og de udslåede protoner for at beregne neutronens energi og energien af ​​det originale SRC-par.

I alt, forskerne observerede 20 SRC-interaktioner og kortlagde ud fra dem kulstof-12's fordeling af SRC-energier, som passer godt til tidligere forsøg. Resultaterne tyder på, at invers kinematik kan bruges til at karakterisere SRC-par i mere ustabile og endda radioaktive kerner med mange flere neutroner.

"Når alt er omvendt, dette betyder, at en stråle, der kører igennem, kan være lavet af ustabile partikler med meget korte levetider, der lever i et millisekund, " siger Julian Kahlbow, en fælles postdoc ved MIT og Tel-aviv University og en medledende forfatter af papiret. "Det millisekund er nok for os til at skabe det, lad det interagere, og lad det gå. Så nu kan vi systematisk tilføje flere neutroner til systemet og se, hvordan disse SRC'er udvikler sig, som vil hjælpe os med at informere om, hvad der sker i neutronstjerner, som har mange flere neutroner end noget andet i universet."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.