Recente waarnemingen van de interne structuur van de zeldzame isotoop ruthenium-88 werpen nieuw licht op de interne structuur van atoomkernen, een doorbraak die ook kan leiden tot verdere inzichten in hoe sommige chemische elementen in de natuur en hun isotopen worden gevormd.

Onder leiding van Bo Cederwall, Hoogleraar Experimentele Kernfysica aan KTH Royal Institute of Technology, een internationaal onderzoeksteam identificeerde nieuwe rotatietoestanden in de extreem neutronen-deficiënte, misvormd, atoomkern ⁸⁸ Ru. De resultaten suggereren dat de structuur van dit exotische nucleaire systeem sterk wordt beïnvloed door de aanwezigheid van sterk gekoppelde neutronen-protonparen.

"Zo'n structuur is fundamenteel anders dan de normale omstandigheden die worden waargenomen in atoomkernen, waar neutronen en protonen in paren interageren in afzonderlijke systemen, het vormen van een bijna supervloeibare toestand, ' zegt Cederwall.

De resultaten kunnen ook alternatieve verklaringen suggereren voor hoe de productie van verschillende chemische elementen, en in het bijzonder hun meest neutronenarme isotopen, verloopt in de nucleosynthesereacties in bepaalde stellaire omgevingen zoals neutronenster-rode reuzendubbelsterren, hij zegt.

De vondst, die op 12 februari in het tijdschrift werd gepubliceerd, Fysieke beoordelingsbrieven , resultaten van een experiment bij de Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL), Frankrijk, met behulp van de Advanced Gamma Tracking Array (AGATA).

De onderzoekers gebruikten kernbotsingen om zeer onstabiele atoomkernen te creëren met een gelijk aantal neutronen en protonen. Hun structuur werd bestudeerd met behulp van gevoelige instrumenten, inclusief AGATA, het detecteren van de straling die ze uitzenden in de vorm van hoogenergetische fotonen, neutronen, protonen en andere deeltjes.

Volgens het standaardmodel van deeltjesfysica dat de elementaire deeltjes en hun interacties beschrijft, er zijn twee algemene soorten deeltjes in de natuur; bosonen en fermionen, die gehele en halve gehele spins hebben, respectievelijk. Voorbeelden van fermionen zijn fundamentele deeltjes zoals het elektron en het elektronenneutrino maar ook samengestelde deeltjes zoals het proton en het neutron en hun fundamentele bouwstenen, de quarks. Voorbeelden van bosonen zijn de fundamentele krachtdragers; het foton, de tussenliggende vectorbosonen, de gluonen en het graviton.

De eigenschappen van een systeem van deeltjes verschillen aanzienlijk naargelang het gebaseerd is op fermionen of bosonen. Als resultaat van het Pauli-principe van de kwantummechanica, in een systeem van fermionen (zoals een atoomkern) kan slechts één deeltje een bepaalde kwantumtoestand op een bepaald punt in ruimte en tijd vasthouden. Om meerdere fermionen samen te laten verschijnen, ten minste één eigenschap van elk fermion, zoals zijn spin, moet anders zijn. Bij lage temperatuur kunnen systemen van veel fermionen condensaten van gepaarde deeltjes vertonen die zich manifesteren als superfluïditeit voor ongeladen deeltjes (bijvoorbeeld het supervloeibare 3He), en supergeleiding voor geladen deeltjes, zoals elektronen in een supergeleider onder de kritische temperatuur. bosonen, anderzijds, kan individueel condenseren met een onbeperkt aantal deeltjes in dezelfde staat, zogenaamde Bose-Einstein-condensaten.

In de meeste atoomkernen die dicht bij de lijn van bètastabiliteit en in hun grondtoestand liggen, of opgewonden tot een energie die er niet te hoog boven ligt, de basisstructuur lijkt te zijn gebaseerd op paar-gecorreleerde condensaten van deeltjes met hetzelfde isospin-kwantumgetal maar met tegengestelde spins. Dit betekent dat neutronen en protonen afzonderlijk van elkaar zijn gekoppeld. Deze correlaties van isovectorparen geven aanleiding tot eigenschappen die vergelijkbaar zijn met superfluïditeit en supergeleiding. In vervormde kernen, deze structuur wordt bijvoorbeeld onthuld als discontinuïteiten in de rotatiefrequentie wanneer de rotatie-excitatie-energie van de kern wordt verhoogd.

Dergelijke discontinuïteiten, die al in het begin van de jaren zeventig werden ontdekt door emeritus KTH-hoogleraar Arne Johnson, zijn bestempeld als "achterover buigen". De backbending-frequentie is een maat voor de energie die nodig is om een ​​neutronen- of protonenpaar te breken en weerspiegelt daarom ook de energie die vrijkomt bij de vorming van een paar nucleonen in de kern. Er zijn al lang bestaande theoretische voorspellingen waarmee systemen van neutronen-protonparen kunnen worden gemengd, of zelfs vervangen, de standaard isovectorpaarcorrelaties in exotische atoomkernen met gelijke aantallen protonen en neutronen. De nucleaire structuur die het resultaat is van de isoscalaire component van dergelijke paarcorrelaties is anders dan die gevonden in "gewone" atoomkernen die bijna stabiel zijn. Onder verschillende mogelijke experimentele waarneembare, de backbending-frequentie in vervormde kernen zal naar verwachting aanzienlijk toenemen in vergelijking met kernen met verschillende aantallen neutronen en protonen.

De KTH-onderzoeksgroep heeft eerder bewijs waargenomen van sterke neutronen-protoncorrelaties in de bolvormige kernkern 92Pd, die in het tijdschrift werd gepubliceerd Natuur . De ruthenium isotoop ⁸⁸ Ru, met 44 neutronen en 44 protonen, is vervormd en vertoont een rotatie-achtige structuur die nu is waargenomen tot hogere spin, of rotatiefrequentie, dan voorheen mogelijk was. De nieuwe meting biedt een andere hoek op de correlaties van kernparen in vergelijking met het vorige werk. Door de theoretische voorspellingen van een verschuiving naar een hogere backbending-frequentie te bevestigen, levert het aanvullend bewijs voor het optreden van sterke isoscalaire paarcorrelaties in de zwaarste nucleaire systemen met een gelijk aantal neutronen en protonen.