Wetenschappers van het RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Research en medewerkers hebben de zware ionenversneller van het centrum gebruikt, de RI Beam-fabriek, om aan te tonen dat nikkel-78, een neutronenrijke "dubbel magische" isotoop van nikkel met 28 protonen en 50 neutronen, behoudt nog steeds een bolvorm die het relatief stabiel maakt ondanks de grote onbalans in het aantal protonen en neutronen. Ze ontdekten ook een verrassing:waarnemingen van het experiment suggereren dat nikkel-78 misschien wel de lichtste kern is met 50 neutronen die een magische aard heeft. Lichtere isotonen - dat wil zeggen kernen met hetzelfde aantal neutronen maar een verschillend aantal protonen - zouden onvermijdelijk worden vervormd, ondanks het magische aantal neutronen.

Het begrijpen van de geldigheid van de magische getallen in extreem neutronenrijke kernen is cruciaal om te begrijpen waarom ons universum de mix van kernen heeft die we vandaag zien. Elementen zwaarder dan ijzer worden niet gesynthetiseerd bij de normale verbranding van sterren, maar worden voornamelijk gecreëerd door twee processen die bekend staan ​​​​als het s-proces en r-proces, waarbij kernen extra neutronen invangen. Het r-proces, waarin neutronen snel worden geabsorbeerd, is bijzonder belangrijk omdat het verantwoordelijk is voor de vorming van bepaalde neutronenrijke kernen. Tijdens het proces, kernen accumuleren neutronen totdat ze een toestand bereiken waarin ze ze niet langer kunnen accepteren - deze toestand staat bekend als een wachtpunt - en ondergaan dan een proces dat bekend staat als bètaverval, waarin ze een neutron verliezen maar een proton krijgen, waardoor ze nieuwe neutronen kunnen accepteren. Het r-proces, die goed is voor ongeveer de helft van de productie van kernen zwaarder dan ijzer, kan alleen plaatsvinden in buitengewone neutronenrijke omgevingen zoals supernova-explosies en fusies van neutronensterren zoals die in 2017 werd waargenomen.

De precieze locatie van deze "wachtpunten" is niet goed begrepen, echter. Het proces wordt gecompliceerd door het feit dat magische aantallen van protonen of neutronen - equivalent aan het idee van gesloten elektronenschillen in de chemie - de kernen beter bestand maken tegen het invangen van verdere neutronen. Een bekend magisch getal is 50 neutronen, maar het is onduidelijk of dit aantal wordt bewaard voor extreem neutronenrijke kernen.

Om een ​​antwoord te krijgen, de groep besloot te experimenteren met nikkel-78, een dubbel magische isotoop die pas onlangs toegankelijk is geworden voor experimenten dankzij krachtige versnellers zoals de RI Beam Factory in Japan, degene die in dit onderzoek is gebruikt. Om het experiment uit te voeren, gepubliceerd in Natuur , de onderzoekers combineerden waarnemingen van de MINOS-detector van CEA in Frankrijk en de DALI2-detector van RIKEN, beide gelegen binnen het RIBF-complex. Ze genereerden een straal uranium-238 en gebruikten het om een ​​doelwit van beryllium te bombarderen, het dwingen van het uranium tot splijting in isotopen zoals koper-79 en zink-80, die beide 50 neutronen hebben.

Deze twee stralen werden vervolgens gestuurd om een ​​waterstofdoel te raken, soms producerend nikkel-78, de focus van het onderzoek.

Met behulp van gammastraaldetectoren, de groep toonde aan dat nikkel-78 relatief stabiel is, zoals voorspeld door berekeningen, behoud van een bolvormige in plaats van vervormde vorm. Ryo Taniuchi van de Universiteit van Tokyo en het RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science zegt:"We waren blij dat we experimenteel konden aantonen dat nikkel-78 de bolvorm behoudt die berekeningen voorspelden. We waren verrast, echter, om te ontdekken dat de kern ook een concurrerende vorm heeft, die niet bolvormig is, en dat elke lichtere isotoon dan degene die we gebruikten onderhevig zou zijn aan deze vervorming en zijn magische aard niet zou behouden."

Pieter Doornenbal van het Nishina Centrum zegt:"Dit is een belangrijke bevinding, omdat het ons nieuwe inzichten geeft over hoe magische getallen verschijnen en verdwijnen in het nucleaire landschap en het proces van nucleosynthese beïnvloeden dat leidde tot de overvloed aan isotopen die we vandaag in het universum zien. We zijn van plan verdere experimenten te doen met nog lichtere isotonen met 50 neutronen om deze bevinding experimenteel aan te tonen."