Een ontdekking door een team van onderzoekers onder leiding van UMass Lowell-kernfysici zou de manier waarop atomen door wetenschappers worden begrepen kunnen veranderen en extreme verschijnselen in de ruimte helpen verklaren.

De doorbraak van de onderzoekers onthulde dat een symmetrie in de kern van het atoom niet zo fundamenteel is als wetenschappers dachten. De ontdekking werpt licht op de krachten die aan het werk zijn in de atoomkern, de deur openen naar een beter begrip van het universum. De bevindingen zijn vandaag gepubliceerd in Natuur , een van 's werelds belangrijkste wetenschappelijke tijdschriften.

De ontdekking werd gedaan toen het door UMass Lowell geleide team bezig was te bepalen hoe atoomkernen worden gecreëerd in röntgenuitbarstingen - explosies die plaatsvinden op het oppervlak van neutronensterren, dat zijn de overblijfselen van massieve sterren aan het einde van hun leven.

"We bestuderen wat er gebeurt in de kernen van deze atomen om deze kosmische verschijnselen beter te begrijpen en, uiteindelijk, om een ​​van de grootste vragen in de wetenschap te beantwoorden - hoe de chemische elementen in het universum worden gecreëerd, " zei Andrew Rogers, UMass Lowell assistent-professor natuurkunde, die het onderzoeksteam leidt.

Het onderzoek wordt ondersteund door een subsidie ​​van het Amerikaanse ministerie van Energie aan UMass Lowell en werd uitgevoerd in het National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) aan de Michigan State University. In het laboratorium, wetenschappers creëren exotische atoomkernen om hun eigenschappen te meten om hun rol als bouwstenen van materie te begrijpen, de kosmos en van het leven zelf.

Atomen zijn enkele van de kleinste eenheden van materie. Elk atoom bevat elektronen die rond een kleine kern diep in de kern draaien, die bijna al zijn massa en energie bevat. Atoomkernen zijn samengesteld uit twee bijna identieke deeltjes:geladen protonen en ongeladen neutronen. Het aantal protonen in een kern bepaalt tot welk element het atoom behoort op het periodiek systeem en dus de chemie ervan. Isotopen van een element hebben hetzelfde aantal protonen maar een verschillend aantal neutronen.

Bij de NSCL, kernen werden versneld tot bijna de lichtsnelheid en uiteenspatten in fragmenten, waardoor strontium-73 ontstond - een zeldzame isotoop die van nature niet op aarde voorkomt, maar gedurende korte tijd kan bestaan ​​​​tijdens gewelddadige thermonucleaire röntgenuitbarstingen op het oppervlak van neutronensterren . Deze isotoop van strontium bevat 38 protonen en 35 neutronen en leeft maar een fractie van een seconde.

Acht dagen de klok rond werken, het team creëerde meer dan 400 strontium-73-kernen en vergeleek ze met de bekende eigenschappen van broom-73, een isotoop met 35 protonen en 38 neutronen. Met verwisseld aantal protonen en neutronen, broom-73-kernen worden beschouwd als "spiegelpartners" van strontium-73-kernen. Spiegelsymmetrie in kernen bestaat vanwege de overeenkomsten tussen protonen en neutronen en ligt ten grondslag aan het begrip van wetenschappers van kernfysica.

Ongeveer elk half uur, de onderzoekers creëerden één strontium-73-kern, transporteerde het door de isotopenscheider van de NSCL en bracht de kern vervolgens tot stilstand in het midden van een complexe detectorarray waar ze het gedrag ervan konden observeren. Door het radioactieve verval van deze kernen te bestuderen, de wetenschappers ontdekten dat strontium-73 zich heel anders gedroeg dan broom-73. De ontdekking roept nieuwe vragen op over kernkrachten, volgens Rogers.

"Strontium-73 en broom-73 zouden qua structuur identiek moeten lijken, maar verrassend genoeg niet, we hebben gevonden. Het onderzoeken van symmetrieën die in de natuur bestaan, is een zeer krachtig hulpmiddel voor natuurkundigen. Als symmetrieën kapot gaan, die ons vertelt dat er iets mis is in ons begrip, en we moeten beter kijken, ' zei Rogers.

Wat de wetenschappers zagen, zal de kerntheorie uitdagen, volgens Daniël Hoff, een onderzoeksmedewerker van UMass Lowell die de hoofdauteur was van het artikel gepubliceerd in Natuur .

"Het vergelijken van strontium-73- en broom-73-kernen was alsof je in een spiegel keek en jezelf niet herkende. Toen we onszelf ervan overtuigd hadden dat wat we zagen echt was, we waren zeer enthousiast, ' zei Hof.

Samen met Rogers, een inwoner van Somerville, en Hoff van Medford, het UMass Lowell-team omvatte faculteitsleden van de afdeling Natuurkunde Assistent Prof. Peter Bender, Emeritus prof. C.J. Lister en voormalig UMass Lowell-onderzoeksmedewerker Chris Morse. Afgestudeerde natuurkundestudenten Emery Doucet van Mason, NH, en Sanjanee Waniganeththi van Lowell droegen ook bij aan het project.

Als onderdeel van de studie van het team, state-of-the-art theoretische berekeningen werden uitgevoerd door Simin Wang, een onderzoeksmedewerker aan de Michigan State, en geregisseerd door Witold Nazarewicz, MSU's John A. Hannah Distinguished Professor of Physics en chief scientist bij de Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), die volgend jaar opengaat.

Het werk van de onderzoekers "biedt unieke inzichten in de structuur van zeldzame isotopen, "Zei Nazarewicz. "Maar er moet nog veel gebeuren. Nieuwe faciliteiten komen online, zoals FRIB bij MSU, zal ontbrekende aanwijzingen geven voor een dieper begrip van de spiegelsymmetriepuzzel. Ik ben blij dat de exotische balken geleverd door onze faciliteit, unieke instrumentatie en theoretische berekeningen kunnen bijdragen aan dit prachtige werk."

Er zijn al plannen voor meer experimenten, terwijl de onderzoekers hun waarnemingen willen verfijnen en bevestigen en deze isotopen verder willen bestuderen.