Onderzoekers van de Michigan State University hebben voor het eerst de kernen van drie protonrijke calciumisotopen gemeten, volgens een nieuw artikel gepubliceerd in Natuurfysica .

Een van de meest fundamentele eigenschappen van de kern is zijn grootte. De nucleaire straal neemt in het algemeen toe met het aantal proton- en neutronenbestanddelen. Echter, bij nauwkeurig onderzoek, de stralen variëren op unieke manieren, als gevolg van het ingewikkelde gedrag van protonen en neutronen in de kern.

Van bijzonder belang is de variatie van de ladingsstralen van calciumisotopen. Ze vertonen een eigenaardig gedrag met calcium-48 met bijna dezelfde straal als calcium-40, een lokaal maximum bij calcium-44, een duidelijk oneven-even zigzagpatroon, en een zeer grote straal voor calcium-52. Hoewel het patroon gedeeltelijk is verklaard (grijze lijn in de figuur), veel bestaande theorieën worstelen om dit gedrag te verklaren. Onder de lichtste stabiele calcium-40 isotoop, de ladingsstraal is alleen bekend voor calcium-39, vanwege de moeilijkheid om protonrijke calciumkernen te produceren.

De straal van een calciumkern is klein, ongeveer 0,0000000000000035 meter (of 3,5 femtometers), en de lokale variatie is nog 200 keer kleiner. Bovendien, de protonrijke calciumisotopen zijn vrij kortlevend. Bijvoorbeeld, calcium-36 bestaat slechts voor een tiende van een seconde. De kleine veranderingen in ladingsstralen van zeer kortlevende isotopen kunnen worden gemeten met behulp van de laserspectroscopietechniek die is ontwikkeld bij de BEam COoler en LAser-spectroscopie, BECOLA, faciliteit in het National Superconducting Cyclotron Laboratory van de Michigan State University.

Het onderzoek, onder leiding van Andrew Miller, NSCL afgestudeerde assistent, voor het eerst gemeten (rode vierkantjes in figuur) de ladingsstralen van drie protonrijke calciumisotopen (met massagetallen A=36, 37, 38). Deze bleken veel kleiner te zijn dan eerdere theoretische voorspellingen en vormen een nieuwe puzzel. Echter, een verbeterd theoretisch model met een focus op deze huidige gegevens reproduceert opmerkelijk de algemene trend van de stralen van calcium-36 tot calcium-52 (blauwe lijn in figuur). Dit succes kan worden toegeschreven aan een beter begrip van de eigenaardige manieren waarop protonen met elkaar interageren op grote afstanden buiten het oppervlak van een protonrijke calciumkern. Het verbeterde begrip van ladingsstralen zal van invloed zijn op verdere ontwikkelingen van een globaal model van de atoomkern.

Het laserspectroscopie-experiment bij BECOLA en het verbeterde nucleaire model zullen een nog essentiëlere rol spelen bij de bepaling en interpretatie van radii van kernen bij de Facility for Rare Isotope Beams die momenteel in aanbouw is bij MSU, die ongekende toegang tot nieuwe zeldzame isotopen zal bieden.