Werk opent een weg naar nauwkeurige berekeningen van de structuur van andere kernen.

In een onderzoek dat experimenteel werk en theoretische berekeningen combineert, mogelijk gemaakt door supercomputers, wetenschappers hebben de nucleaire geometrie van twee isotopen van boor bepaald. Het resultaat zou een pad kunnen openen naar nauwkeurige berekeningen van de structuur van andere kernen die wetenschappers experimenteel kunnen valideren.

Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), in samenwerking met wetenschappers in Duitsland en Polen, bepaald het verschil in een hoeveelheid die bekend staat als de nucleaire ladingsstraal tussen boor-10 en boor-11. De straal van de nucleaire lading geeft de grootte van een atoomkern aan, die vaak relatief onduidelijke randen heeft.

Kernladingsstralen zijn moeilijk met hoge precisie te berekenen voor atomen die veel groter zijn dan boor vanwege het enorme aantal neutronen en protonen waarvan de eigenschappen en interacties moeten worden afgeleid uit de kwantummechanica.

Kerntheorie bouwt voort op kwantumchromodynamica (QCD), een reeks fysieke regels die van toepassing zijn op quarks en gluonen die de protonen en neutronen in de kern vormen. Maar proberen om de nucleaire dynamiek op te lossen met alleen QCD zou een bijna onmogelijke taak zijn vanwege de complexiteit ervan, en onderzoekers moeten vertrouwen op ten minste enkele vereenvoudigende aannames.

Omdat boor relatief licht is - met slechts vijf protonen en een handvol neutronen - was het team in staat om de twee boorisotopen op de Mira-supercomputer met succes te modelleren en experimenteel te bestuderen met behulp van laserspectroscopie. Mira maakt deel uit van de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

"Dit is een van de meest gecompliceerde atoomkernen waarvoor het mogelijk is om experimenteel tot deze nauwkeurige metingen te komen en ze theoretisch af te leiden, " zei Argonne kernfysicus Peter Mueller, die hielpen bij het leiden van de studie.

Kijkend naar hoe de nucleaire configuraties van boor-11 ( ¹¹ B) en boor-10 ( ¹⁰ B) verschilde van mening over het maken van bepalingen op buitengewoon kleine lengteschalen:minder dan een femtometer - een quadriljoenste van een meter. In een contra-intuïtieve bevinding, de onderzoekers stelden vast dat de 11 nucleonen in borium-11 eigenlijk een kleiner volume innemen dan de 10 nucleonen in borium-10.

Om experimenteel naar de boorisotopen te kijken, wetenschappers van de Universiteit van Darmstadt voerden laserspectroscopie uit op monsters van de isotopen, die op verschillende frequenties fluoresceren. Hoewel het grootste deel van het verschil in de fluorescentiepatronen wordt veroorzaakt door het verschil in de massa tussen de isotopen, er is een component in de meting die de grootte van de kern weerspiegelt, legde de natuurkundige Robert Wiringa uit Argonne uit.

Om deze componenten te scheiden, medewerkers van de Universiteit van Warschau en de Adam Mickiewicz Universiteit in Poznan voerden ultramoderne atoomtheorieberekeningen uit die precies de gecompliceerde dans van de vijf elektronen rond de kern in het booratoom beschrijven.

"Eerdere experimenten met elektronenverstrooiing konden niet echt met zekerheid zeggen welke groter was, " zei Wiringa. "Door deze laserspectroscopietechniek te gebruiken, we kunnen met zekerheid zien hoe het extra neutron boor-11 nauwer bindt."

De goede overeenkomst tussen experiment en theorie voor de afmetingen van de kern stelt onderzoekers in staat om andere eigenschappen van een isotoop te bepalen, zoals de bètavervalsnelheid, met meer vertrouwen. "Het vermogen om berekeningen uit te voeren en experimenten uit te voeren, gaan hand in hand om onze bevindingen te valideren en te versterken. ' zei Muller.

De volgende fase van het onderzoek zal waarschijnlijk de studie van boor-8 omvatten, dat onstabiel is en slechts een halfwaardetijd van ongeveer een seconde heeft voordat het vervalt. Omdat er minder neutronen in de kern zijn, het is veel minder strak gebonden dan zijn stabiele buren en wordt verondersteld een grotere laadstraal te hebben, zei Muller. "Er is een voorspelling, maar alleen experiment zal ons vertellen hoe goed het dit losjes gebonden systeem eigenlijk modelleert, " hij legde uit.

Een artikel op basis van het onderzoek, "Nucleaire ladingsstralen van 10, 11B, " verschijnt in het nummer van 10 mei van Fysieke beoordelingsbrieven .