Ud over grænser:Udforskning af eksotiske nukleare landskaber og deres kosmiske implikationer

Forskere ved Peking Universitet i Kina har med succes observeret den undvigende 0₂ ⁺ tilstand ⁸ Han afslører en ny klyngestruktur med to stærkt korrelerede neutronpar. Denne opdagelse giver indsigt i eksotiske nukleare strukturer og deres potentielle implikationer for forståelsen af ​​neutronstjerner. Resultaterne er offentliggjort i Physical Review Letters .

Den konventionelle nukleare model i fysik viser et enkelt-partikelbillede, hvor nukleoner, protoner og neutroner bevæger sig uafhængigt inden for en kerne og danner en veldefineret skalstruktur. Styret af et gennemsnitligt potentiale skabt af nukleare kræfter, udfylder nukleoner forskellige energiniveauer eller skaller, hvilket fører til øget stabilitet forbundet med magiske tal.

Denne model, der er forankret i kvantemekanikken, forklarer med succes nuklear struktur og stabilitet, men støder på begrænsninger, når den adresserer eksotiske kerner, især dem, der er neutronrige og ustabile.

Første forfatter til undersøgelsen, Prof. Zaihong Yang, forklarede holdets motivation til Phys.org:"Som kernefysiker er et af vores primære mål at forstå, hvad kernens struktur er, og hvordan den opstår fra de komplekse kerneinteraktioner mellem nukleonerne."

Af særlig interesse er den kondensatlignende klyngestruktur i den neutronrige kerne ⁸ Han.

"En kondensatlignende klyngetilstand lavet af en alfa plus to dineutronklynger er teoretisk blevet forudsagt i den neutronrige kerne ⁸ Han, men dens eksperimentelle observation er forblevet uhåndgribelig på grund af vanskeligheden i både produktion og identifikation af denne eksotiske klyngetilstand," sagde prof. Yang.

Klyngetilstande og resonanstilstande for ⁸ Han

Den nævnte klyngetilstand refererer til en specifik nuklear konfiguration i den neutronrige kerne ⁸ Han.

I denne tilstand kombineres to stærkt korrelerede neutronpar, kendt som dineutronklynger, med en alfa-klynge (fire heliumkerner), der danner, hvad forskerne beskriver som en "kondensatlignende klyngestruktur."

Udtrykket "kondensat-lignende" trækker en analogi til Bose-Einstein-kondensater (BEC'er), en tilstand af stof dannet ved ekstremt lave temperaturer.

I BEC'er indtager partikler såsom atomer den samme kvantetilstand og udviser kollektiv adfærd. Tilsvarende i forbindelse med ⁸ I klyngestaten antyder udtrykket, at de to dineutronklynger og alfa-klyngen tilsammen bidrager til den nukleare struktur.

Dineutron-klyngerne er angivet som 0₂ ⁺ , hvor "0" angiver spin-pariteten (i dette tilfælde spin 0), hvor "2" er energitilstanden, og "+" er pariteten (positiv).

For at observere den teoretiserede tilstand udførte forskerholdet et nuklear spredningseksperiment på RIKEN Nishina Center i Japan. Denne eksperimentelle bestræbelse var designet til at sondere og granske den teoretiserede klyngetilstand inden for ⁸ Han.

Fokus var på karakteristiske egenskaber, herunder den undvigende spin-paritet i klyngetilstanden, en usædvanlig betydelig isoskalær monopolovergangsstyrke og emissionen af ​​et stærkt korreleret neutronpar.

"Sammen med de avancerede teoretiske beregninger giver vores resultater stærke beviser for, at de fire valensneutroner i 0₂ ⁺ ophidset tilstand ⁸ Han kan danne to stærkt korrelerede neutronpar (dineutronklynger) og yderligere danne en eksotisk kondensatlignende klyngestruktur," forklarede prof. Yanlin Ye, anden forfatter til undersøgelsen.

Denne præstation validerer ikke kun teoretiske forudsigelser, men understreger også den opfindsomhed, der kræves i eksperimentelt design for at navigere i kernefysikkens forviklinger.

Prof. Yang sagde, "En umiddelbar implikation af vores opdagelse er, at ustabile kerner, der ligger på grænsen af ​​stabilitet, kan udvise eksotiske strukturer, der adskiller sig fra de konventionelle enkelt-partikel- eller skal-modelbilleder, hvilket kræver forbedring af nuklear. strukturteorier."

"Ydermere, mens kernen i det væsentlige er lavet af fermioniske nukleoner (protoner og neutroner), viser vores resultater, at strukturen af ​​denne 0₂ ⁺ tilstand er ikke desto mindre bosonisk - en BEC-analog klyngetilstand - lavet af to dineutronklynger og en alfaklynge."

Neutronstjerner og pulsarer

De observerede 0₂ ⁺ tilstand ⁸ Han har implikationer ud over kerne- og kvantefysik. Det har dyb betydning for vores forståelse af astrofysiske fænomener, specielt afkølingsprocessen af ​​neutronstjerner og fejl i pulsarer.

Dr. Yang belyste den potentielle sammenhæng mellem 0₂ ⁺ tilstands- og neutronstjerner. Den observerede kondensatlignende klyngestruktur stemmer overens med den foreslåede begyndelse af neutronsuperfluiditet i neutronstjernernes indre. Dette fænomen er beslægtet med kondenseringen af ​​elektron-Cooper-par i superledere.

"Selvom vi ikke kan besøge en rigtig neutronstjerne for at erhverve dens tætte neutronrige stof, kan dens egenskaber udledes af eksperimenter med endelige kerner i laboratoriet."

"0₂ ⁺ tilstand, kendetegnet ved sin unikke klyngekonfiguration, giver værdifuld indsigt i dannelsen af ​​en kondensationstilstand af neutronpar. Det er vigtigt, at det kunne være en forløbertilstand for et makroskopisk kondensat af neutronpar i neutronrige systemer, inklusive neutronstjerner," forklarede han.

Denne forbindelse mellem kernefysik og astrofysik forbedrer ikke kun vores forståelse af eksotiske nukleare strukturer, men bidrager også til at opklare mysterierne om kosmiske fænomener og kaster lys over det indviklede samspil mellem kernernes mikroskopiske verden og neutronstjernernes og pulsarernes makroskopiske riger.

Ved at forestille sig vejen frem forventer forskerne at udvide målinger til andre neutronrige kerner, der ligger rundt om neutrondryplinjen (grænsen for eksistens på atomkortet).

"Vi er særligt interesserede i, hvordan den kondensatlignende klyngestruktur udvikler sig med flere dineutronklynger. Udforskning af systemer, der udelukkende er lavet af neutroner, såsom tetraneutroner og hexaneutroner, tilføjer intriger."

"Produktion og identifikation af sådanne tilstande er udfordrende, men konstruktionen af ​​verdensomspændende radioaktive ionstråleanlæg og nye detektorsystemer giver gode muligheder," konkluderede Prof. Ye.

Flere oplysninger: Z. H. Yang et al., Observation of the Exotic 0₂ ⁺ Klyngetilstand i ⁸ Han, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.242501

Journaloplysninger: Physical Review Letters

© 2023 Science X Network