Iets meer dan tien jaar geleden duwden wetenschappers magnesiumatomen naar nieuwe limieten, het blokkeren van extra neutronen in hun kernen in de richting van - en mogelijk het bereiken van - de maximale limiet voor dit element.

Nutsvoorzieningen, een internationaal team onder leiding van wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy heeft dit exotische systeem gereproduceerd, bekend als magnesium-40, en verzamelde nieuwe en verrassende aanwijzingen over zijn nucleaire structuur.

"Magnesium-40 zit op een kruispunt waar veel vragen zijn over hoe het er echt uitziet, " zei Heather Crawford, een stafwetenschapper in de Nuclear Science Division van Berkeley Lab en hoofdauteur van deze studie, online gepubliceerd op 7 februari in de Fysieke beoordelingsbrieven logboek. "Het is een extreem exotische soort."

Terwijl het aantal protonen (die een positieve elektrische lading hebben) in de atoomkern het atoomnummer van een element definieert - waar het op het periodiek systeem staat - kan het aantal neutronen (die geen elektrische lading hebben) verschillen. Het meest voorkomende en stabiele type magnesiumatoom in de natuur heeft 12 protonen, 12 neutronen, en 12 elektronen (die een negatieve lading hebben).

Atomen van hetzelfde element met verschillende neutronentellingen staan ​​bekend als isotopen. De magnesium-40 (Mg-40) isotoop die de onderzoekers bestudeerden heeft 28 neutronen, wat het maximum kan zijn voor magnesiumatomen. Voor een bepaald element, het maximale aantal neutronen in een kern wordt de "neutronendruppellijn" genoemd - als je probeert een ander neutron toe te voegen wanneer het al vol is, het extra neutron zal onmiddellijk uit de kern "druppelen".

"Het is extreem neutronenrijk, " zei Crawford. "Het is niet bekend of Mg-40 bij de infuuslijn zit, maar het is zeker heel dichtbij. Dit is een van de zwaarste isotopen die je momenteel experimenteel kunt bereiken in de buurt van de infuuslijn."

De vorm en structuur van kernen nabij de druppellijn is vooral interessant voor kernfysici omdat het hen fundamentele dingen kan leren over hoe kernen zich gedragen aan de extremen van het bestaan.

"De interessante vraag die al die tijd in onze gedachten was, als je zo dicht bij de infuuslijn komt, is:'Verandert de manier waarop de neutronen en protonen zichzelf rangschikken?'" zei Paul Fallon, een senior wetenschapper in de Nuclear Science Division van Berkeley Lab en een co-auteur van de studie. "Een van de belangrijkste doelen van het veld van de kernfysica is om de structuur van de kern van een element helemaal tot aan de infuuslijn te begrijpen."

Een dergelijk fundamenteel begrip kan theorieën over explosieve processen informeren, zoals het creëren van zware elementen in sterfusies en explosies, hij zei.

De studie is gebaseerd op experimenten in de Japanse Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF), die is gevestigd in het RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science in Wako, Japan. Onderzoekers combineerden de kracht van drie cyclotrons - een soort deeltjesversneller die voor het eerst werd ontwikkeld door Berkeley Lab-oprichter Ernest Lawrence in 1931 - om deeltjesbundels met zeer hoge energie te produceren die met ongeveer 60 procent van de lichtsnelheid reizen.

Het onderzoeksteam gebruikte een krachtige straal calcium-48, wat een stabiele isotoop van calcium is met een magisch aantal van zowel protonen (20) als neutronen (28), om een ​​roterende schijf van enkele millimeters dikke koolstof te raken.

Sommige van de calcium-48 kernen stortten neer op de koolstofkernen, in sommige gevallen het produceren van een aluminium isotoop bekend als aluminium-41. Het kernfysica-experiment scheidde deze aluminium-41-atomen, die vervolgens werden gekanaliseerd om een ​​centimeter dik plastic (CH2) doelwit te raken. De impact met dit secundaire doelwit sloeg een proton weg van enkele van de aluminium-41 kernen, het creëren van Mg-40-kernen.

Dit tweede doelwit was omgeven door een gammastralingsdetector, en onderzoekers waren in staat om aangeslagen toestanden van Mg-40 te onderzoeken op basis van de metingen van de gammastralen die worden uitgezonden in de straal-doelinteracties.

Naast Mg-40, de metingen legden ook de energieën vast van aangeslagen toestanden in andere magnesiumisotopen, inclusief Mg-36 en Mg-38.

"De meeste modellen zeiden dat Mg-40 erg zou moeten lijken op de lichtere isotopen, ' zei Crawford. 'Maar dat gebeurde niet. Als we iets zien dat er heel anders uitziet, dan is de uitdaging voor nieuwe theorieën om dit alles vast te leggen."

Omdat de theorieën nu niet overeenkomen met wat in de experimenten werd gezien, nieuwe berekeningen zijn nodig om te verklaren wat er verandert in de structuur van Mg-40-kernen in vergelijking met Mg-38 en andere isotopen.

Fallon zei dat veel berekeningen suggereren dat Mg-40-kernen erg vervormd zijn, en mogelijk voetbalvormig, dus de twee toegevoegde neutronen in Mg-40 kunnen rond de kern zoemen om een ​​zogenaamde halo-kern te vormen in plaats van te worden opgenomen in de vorm die wordt vertoond door naburige magnesiumisotopen.

"We speculeren over een deel van de fysica, maar dit moet worden bevestigd door meer gedetailleerde berekeningen, " hij zei.

Crawford zei dat aanvullende metingen en theorie werken aan Mg-40, en dat nabijgelegen isotopen zouden kunnen helpen om de vorm van de Mg-40-kern positief te identificeren, en om uit te leggen wat de verandering in de nucleaire structuur veroorzaakt.

Onderzoekers merkten op dat de nucleaire fysica-faciliteit voor zeldzame isotopenstralen, een nieuwe DOE Office of Science User Facility die in aanbouw is aan de Michigan State University, gecombineerd met de Gamma-Ray Energy Tracking Array (GRETA) die wordt gebouwd in Berkeley Lab, zal verdere studies van andere elementen in de buurt van de nucleaire infuuslijn mogelijk maken.