Fizicienii rotesc acceleratorul de particule pentru a obține o vedere mai clară asupra nucleelor ​​atomice

Aruncarea fasciculelor de ioni asupra norilor de protoni, cum ar fi lansarea de săgeți nucleare cu viteza luminii, poate oferi o imagine mai clară asupra structurii nucleare. Credit: Jose-Luis Olivares, MIT

Aruncarea fasciculelor de ioni asupra norilor de protoni îi poate ajuta pe cercetători să cartografieze funcționarea interioară a stelelor de neutroni.

Fizicienii a CU și în alte părți există raze de ioni împotriva norilor de protoni, cum ar fi lansarea de săgeți nucleare la viteza luminii, pentru a mapa structura unui atoma miezului.

Experimentul este o inversiune a acceleratoarelor obișnuite de particule, care aruncă electroni în nucleele atomice pentru a le testa structurile. Echipa a folosit această abordare „cinematică inversă” pentru a trece prin influențe mecanice cuantice dezordonate în interiorul unui nucleu, pentru a oferi o viziune clară asupra protonilor și neutronilor unui nucleu, precum și a perechilor lor corelate pe termen scurt (SRC).). Acestea sunt perechi de protoni sau neutroni care se unesc pe scurt pentru a forma picături superdense de materie nucleară și se crede că domină mediile ultra-dense ale stelelor de neutroni.

Rezultatele, publicate la 29 martie 2021 a Fizica naturii, arată că cinematica inversă poate fi utilizată pentru a caracteriza structura nucleelor ​​mai instabile: ingrediente esențiale pe care oamenii de știință le pot folosi pentru a înțelege dinamica stelelor de neutroni și procesele prin care acestea generează elemente grele.

„Am deschis ușa studiului perechilor SRC, nu numai în nucleele stabile, ci și în nucleele bogate în neutroni, care sunt foarte abundente în medii precum stea neutronică fuziuni “, spune co-autorul studiului, Or Hen, profesor asistent de fizică la MIT.” Acest lucru ne aduce mai aproape de înțelegerea unor astfel de fenomene astrofizice exotice. “

Co-autorii lui Hen includ Jullian Kahlbow și Efrain Segarra de la MIT, Eli Piasetzky de la Universitatea Tel Aviv și cercetători de la Universitatea Tehnică Darmstadt, Institutul Comun de Cercetare Nucleară din Rusia (JINR), Comisia franceză pentru energii alternative și atomice (CEA) și GSI Centrul Helmholtz pentru cercetarea ionilor grei din Germania.

Un accelerator inversat

Acceleratoarele de particule sondează în mod obișnuit structurile nucleare prin împrăștierea electronilor, în care electronii cu energie mare sunt transmise către un nor staționar de nuclee țintă. Când un electron lovește un nucleu, el scade protoni și neutroni și electronul pierde energie în acest proces. Cercetătorii măsoară energia fasciculului de electroni înainte și după această interacțiune pentru a calcula energiile originale ale protonilor și neutronilor care au fost expulzați.

În timp ce împrăștierea electronilor este o modalitate exactă de a reconstrui structura unui nucleu, este și un joc de noroc. Probabilitatea ca un electron să ajungă la un nucleu este relativ scăzută, întrucât un singur electron este foarte mic în comparație cu un întreg nucleu. Pentru a crește această probabilitate, fasciculele sunt încărcate cu densități de electroni în creștere.

Oamenii de știință folosesc, de asemenea, fascicule de protoni în loc de electroni pentru a testa nucleele, deoarece protonii sunt relativ mai mari și sunt mai susceptibili de a-și atinge ținta. Dar protonii sunt, de asemenea, mai complecși și sunt alcătuite din quarks și gluoni, ale căror interacțiuni pot ascunde interpretarea finală a nucleului în sine.

Pentru a obține o imagine mai clară, fizicienii din ultimii ani au inversat configurația tradițională: orientând un fascicul de nuclee, sau ioni, către o țintă de protoni, oamenii de știință nu numai că pot măsura direct protoni și neutroni eliminați, ci și pot compara nucleul original cu nucleu rezidual sau fragment nuclear, după interacțiunea cu un proton țintă.

„Cu cinematica inversată, știm exact ce se întâmplă cu un nucleu atunci când îi îndepărtăm protonii și neutronii”, spune Hen.

Cernere cuantică

Echipa a adoptat această abordare de la cinematică inversată la energii ultra-ridicate, folosind acceleratorul de particule JINR pentru a se îndrepta către un nor staționar de protoni cu un fascicul de nuclee de carbon-12, care a tras la 48.000 de milioane de electroni-volți, ordine de mărime mai mari decât energii. care se găsește în mod natural în nuclee.

La astfel de energii mari, orice nucleon care interacționează cu un proton va ieși în evidență în date, comparativ cu nucleonii care nu interacționează și care se deplasează către energii mult mai mici. În acest fel, cercetătorii pot izola rapid orice interacțiune care a avut loc între un nucleu și un proton.

Din aceste interacțiuni, echipa a selectat fragmentele nucleare reziduale, căutând bor-11, o configurație carbon-12, minus un singur proton. Dacă un nucleu a început ca carbon-12 și s-a încheiat ca bor-11, ar putea însemna doar că a întâlnit un proton obiectiv, astfel încât să elimine un singur proton. Dacă protonul țintă ar anula mai mult de un proton, ar fi fost dificil să se interpreteze rezultatul efectelor mecanice cuantice din nucleu. Echipa a izolat bor-11 ca o semnătură clară și a aruncat orice fragmente mai ușoare, cu influență cuantică.

Echipa a calculat energia protonului îndepărtat din nucleul original de carbon-12, pe baza fiecărei interacțiuni produse de bor-11. Atunci când se configurează energiile într-un grafic, modelul se potrivește exact distribuției bine stabilite a carbonului-12, o validare a abordării inversate cu energie ridicată.

Apoi au transformat tehnica în perechi corelate cu rază scurtă de acțiune, căutând dacă pot reconstitui energiile respective ale fiecărei particule într-o pereche, informații cheie pentru înțelegerea dinamicii stelelor de neutroni și a altor obiecte neutron-dense.

Au repetat experimentul și de această dată au căutat bor-10, o configurație carbon-12, minus un proton și un neutron. Orice detectare a borului-10 ar însemna că un nucleu de carbon-12 ar interacționa cu un proton obiectiv, care a îndepărtat un proton și partenerul său legat, un neutron. Oamenii de știință ar putea măsura atât energiile țintei, cât și protonii eliminați pentru a calcula energia neutronului și energia perechii SRC originale.

În total, cercetătorii au observat 20 de interacțiuni SRC și, din acestea, au cartografiat distribuția energiilor SRC carbon-12, care se potrivesc bine experimentelor anterioare. Rezultatele sugerează că cinematica inversă poate fi utilizată pentru a caracteriza perechile SRC în nuclei mai instabili și chiar radioactivi cu mult mai mulți neutroni.

„Când totul este inversat, aceasta înseamnă că un fascicul care poate fi traversat ar putea fi alcătuit din particule instabile cu o viață foarte scurtă și care trăiesc o milisecundă”, spune Julian Kahlbow, un coleg postdoctoral în comun la MIT și Universitatea Tel -aviv și co-autor al lucrării. „Această milisecundă este suficientă pentru ca noi să o creăm, să o lăsăm să interacționeze și să o lăsăm să plece. Deci, acum putem adăuga în mod sistematic mai mulți neutroni la sistem și vom vedea cum evoluează aceste SRC, ceea ce ne va ajuta să raportăm ce se întâmplă cu stelele de neutroni, care au mult mai mulți neutroni decât orice altceva din univers. ”

Referință: „Măsurători knockout ale cinematicii inverse neperturbate cu o grindă de carbon” de M. Patsyuk, J. Kahlbow, G. Laskaris, M. Duer, V. Lenivenko, EP Segarra, T. Atovullaev, G. Johansson, T. Aumann, A. Corsi, O. Hen, M. Kapishin, V. Panin, E. Piasetzky și The [email protected] Colaborare, 29 martie 2021, Fizica naturii.
DOI: 10.1038 / s41567-021-01193-4

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Nanofibrele centrifugale multifuncționale pun un nou efect asupra măștilor COVID-19

Figura (A) Ilustrația schematică a procesului de producție a nanofibrelor polimerului centrifug polimer multispinning. (B) Nanofibrele polimerice sunt rotite de sistem. O...

Arheologii găsesc dovezi din monumentele de câini domestici din Peninsula Arabică Antică

Situat în regiunea tărâmurilor Alula, în nord-vestul Arabiei Saudite, acest cimitir este acum rar construit pe pământ pentru Arabia Neolitică-Calcolitică și este un ajutor...

Pe măsură ce straturile de gheață s-au topit, nivelul mării a crescut până la 18 metri

Se știe că creșterea nivelului mării datorită schimbărilor climatice este o amenințare majoră. Noile cercetări au arătat că evenimentele anterioare de pierdere a...

Oamenii de știință identifică genele umane care luptă împotriva infecției cu SARS-CoV-2

Vedere microscopică a coronavirusului. Credit: Yeti punctat Cercetările indică controlul genelor care stimulează interferonul SARS-CoV-2 Copie Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebis au...

Noua tehnică „Mașina timpului” dezvăluită pentru măsurarea celulei

Celulele dendritice (roșii / verzi co-colorate) într-un folicul limfoid (fragment de peyer) drenează intestinul (albastru). Credit: Wang Cao și Shengbo Zhang, WEHI Utilizând o...

Newsletter

Subscribe to stay updated.