Al meer dan een decennium, een multidisciplinair team van scheikundigen en natuurkundigen in Arts &Sciences aan de Washington University in St. Louis jaagt op de atoomkern. Met vooruitstrevende studies, ze gingen de elementketen omhoog naar Calcium-48, een uiterst zeldzame vaste grondstof die meer neutronen dan protonen heeft en, als zodanig, heeft een stevig prijskaartje van $ 100, 000 per gram.

Het is een eigenzinnig materiaal, met deze specifieke studie namen de chemici van de Washington University Robert J. Charity en Lee G. Sobotka van het Duke's Triangle Universities Nuclear Laboratory mee naar het Los Alamos (N.M.) National Laboratory van het Department of Energy.

"Als je het op een tafel laat liggen, het verandert in poeder, " zei co-auteur Charity, een onderzoeksprofessor scheikunde in Arts &Sciences. "Calcium oxideert heel snel in de lucht. Het was een zorg."

uiteindelijk, drie gram Ca-48 hielpen bij het produceren van een tweesnijdende bevinding voor Charity en co-auteur Willem H. Dickhoff, hoogleraar natuurkunde. Hun team ontdekte zowel een raamwerk om te voorspellen waar neutronen een kern zullen bewonen als een manier om de huiddikte van een kern te voorspellen.

In hun onderzoek gepubliceerd op 29 november in Fysieke beoordelingsbrieven , ze voorspelden hoe de neutronen een dikke huid zouden creëren, en dat deze huid van Ca-48 - 3,5 femtometers (fm) in straal - 0,249 + 0,023 fm meet.

Om dat om te rekenen naar centimeters, het zou 2,49 × 10 "meten ^-14 cm. De onderzoekers zeggen dat de belangrijkste bevinding is dat de huid dikker en neutronenrijker is dan eerder werd aangenomen.

"Dat verbindt ons met astrofysica en, vooral, neutronenster fysica, " Dickhoff zei over de onderzoeksresultaten. "Het Los Alamos-experiment was van cruciaal belang voor de analyse die we hebben uitgevoerd. Uiteindelijk - omdat het deze extra set neutronen heeft - krijgen we informatie die ons helpt om de fysica van neutronensterren verder te verduidelijken, waar er veel meer neutronen zijn ten opzichte van protonen.

"En het geeft ons de mogelijkheid om te voorspellen waar de neutronen zich in Ca-48 bevinden, "Dickhoff zei. "Dat is de kritieke informatie, wat leidt tot de voorspelling van de neutronenhuid."

Voor het goede doel, Dickhoff en co-auteurs Hossein Mahzoon, PhD '15, een docent natuurkunde aan de Truman State University in Kirksville, Mo., en Mack Atkinson, een promovendus in de natuurkunde aan de Washington University, de achtervolging gaat door.

Ze kijken met belangstelling toe hoe Ca-48 de schoonste huiddiktetest zal ondergaan die beschikbaar is via de elektronenversneller in de Thomas Jefferson National Accelerator Facility in Newport News, va.

Bovendien, ze gaan verder met de elementenketen van neutronenrijke kernen naar wat Charity de 'beroemde kern' van Lood-208 noemde. Michael Keim, een senior in de natuurkunde, leidt een onderzoek naar Lead-208.

"Het zal ons een experimenteel handvat geven om te bepalen of onze analyse echt voorspellend is, " zei Dickhoff. "We denken dat we een goed argument hebben waarom we denken dat het een dikke huid heeft. Er is een grote groep mensen … die een kleinere huid voorspellen. Dit is direct relevant voor het begrip van de grootte van neutronensterren. Het is nog niet glashelder hoe groot een neutronenster is - zijn straal."

Hoe ze hun analyse hebben gemaakt en dit voorspellende raamwerk hebben bereikt, maakt ook deel uit van hun decennialange zoektocht. Hun groep scheikunde-fysica onderschrijft "dispersierelaties, " die Sobotka, die hoogleraar scheikunde en natuurkunde is, eenvoudig uitgelegd:"Het is wat je vertelt niet te lachen voordat je gekieteld wordt. Dat betekent dat causaliteit goed in aanmerking wordt genomen."

Kortom, ze analyseren alle energieën tegelijk in plaats van zich te concentreren op één enkele energie.

Sinds de eerste publicatie samen in 2006, ze hebben het dispersieve optische model (DOM) gebruikt dat een kwart eeuw geleden is ontwikkeld door Claude Mahauxa, een kerntheoreticus uit België. Ze breidden het uit - over energiedomeinen en isotopen - zodat ze konden proberen te voorspellen waar de kerndeeltjes zich bevinden.

"We moesten de technische stap maken om de gevoeligheden van deeltjes op te nemen, " zei Dickhoff. Hij gebruikte zijn handen om het centrum en vervolgens de rest van een kern te illustreren:"Als ze hier zijn, ze werden ook overal door beïnvloed. Wat we 'niet-lokaliteit' noemen. Zonder dat, je kunt deze voorspellingen niet doen."

Zware neutronenrijke elementen gedragen zich anders. Dus dit team blijft stijgen in de zwaargewichtklassen:Ca-40, Ca-48, Lood-208. "Hoe ver kun je gaan langs een isotopenketen totdat je neutronen verliest?" liefdadigheid zei. Het geeft ze skin in the skin-spel.

"Als je er extra neutronen in stopt, daar houdt het niet van, toch?' zei Charity over de atoomkern. 'Het moet uitzoeken hoe deze extra neutronen kunnen worden ondergebracht. Het kan ze gelijkmatig door de kern brengen. Of het kan ze aan de oppervlakte brengen. Dus de vraag is:is deze kracht sterker in het gebied met lage dichtheid van de kern of zwakker?"

"We weten waar de protonen zijn, " voegde Dickhoff toe. "Dat is experimenteel goed vastgesteld. Maar dat doe je niet zomaar met neutronen. Ik wil gewoon weten wat een nucleon, een proton of een neutron, doet. Hoe besteedt het zijn tijd? Nucleonen zijn interactiever - ze doen andere dingen dan stil in hun baan zitten. Dat is wat deze methode ons kan vertellen."

Hun niet-lokale DOM-raamwerk - meer dan tien jaar in de maak - maakt gebruik van computermodellering en berekeningen, evenals laboratoriumexperimenten. Het stelt hen in staat om "een voorspelling te doen die gegrond is en serieus wordt genomen, ' zei Dickhoff. 'Vervolgens, we zullen een meting hebben voor Lead-208."