Het komt niet vaak voor in de kernfysica dat je beide kanten van het verhaal duidelijk kunt krijgen, maar een recent experiment stelde onderzoekers in staat om precies dat te doen. Ze vergeleken zeer vergelijkbare kernen met elkaar om een ​​duidelijker beeld te krijgen van hoe de componenten van kernen zijn gerangschikt en ontdekten dat er nog meer te leren valt over het hart van materie. Het onderzoek, uitgevoerd bij de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Department of Energy, werd onlangs gepubliceerd als een door de redacteuren aanbevolen inlezen Fysieke beoordelingsbrieven .

"We willen de nucleaire structuur bestuderen, dat is hoe protonen en neutronen zich in een kern gedragen, " legt Reynier Cruz-Torres uit, een postdoctoraal onderzoeker bij het Lawrence Berkeley National Lab van DOE, die aan het experiment werkte als een afgestudeerde student aan het Massachusetts Institute of Technology. "Om dat te doen, we kunnen elke kern meten die we willen. Maar om een ​​zeer nauwkeurige test van de nucleaire theorie te doen, we zijn beperkt tot lichte kernen die precisieberekeningen hebben. Het meten van deze lichte kernen is een maatstaf voor het begrijpen van de nucleaire structuur in het algemeen."

Voor deze meting is de onderzoekers concentreerden zich op twee van de eenvoudigste en lichtste kernen in het universum:helium en waterstof. Ze concentreerden zich op een isotoop van helium genaamd helium-3, zo genoemd omdat het slechts drie hoofdcomponenten bevat:twee protonen en één neutron. De isotoop van waterstof die ze hebben getest, tritium, bestaat ook uit drie componenten:één proton en twee neutronen.

"Het zijn spiegelkernen. Dus, je kunt aannemen dat de protonen in helium-3 in principe hetzelfde zijn als de neutronen in tritium en vice versa, " zegt Florian Hauenstein, een gezamenlijke postdoctoraal onderzoeker aan de Old Dominion University en MIT.

Volgens de onderzoekers is door deze relatief eenvoudige kernen te vergelijken, ze kunnen een venster krijgen op de sterke nucleaire interacties die elders niet kunnen worden gedupliceerd. Dat komt omdat als een van de lichtste en minst gecompliceerde kernen in het universum, deze kernen zijn uitstekende voorbeelden om te vergelijken met de state-of-the-art theorieën die de basisstructuren van verschillende kernen beschrijven.

"De theorieberekeningen zijn er al een tijdje, maar we wisten niet hoe goed ze zijn, " legt Dien Nguyen uit, een postdoctoraal onderzoeker aan het MIT en inkomend Nathan Isgur Fellow in Nuclear Experiment bij Jefferson Lab. "Dus, met dit onderzoek we kunnen kwantitatief zeggen hoe goed de berekening is. Ik denk dat dat een heel belangrijke stap is."

Om de vergelijking te maken, de onderzoekers hebben beide kernen gemeten in zeer nauwkeurige experimenten in de Continuous Electronic Beam Accelerator Facility (CEBAF), een DOE-gebruikersfaciliteit bij Jefferson Lab.

Elektronen van CEBAF werden gericht op de kernen van tritium en helium-3, waar sommige interactie hadden met de protonen van de kernen. De getroffen protonen en de op elkaar inwerkende elektronen werden vervolgens opgevangen en gemeten in grote detectoren, spectrometers genaamd, in de experimentele hal A van Jefferson Lab.

"We gebruiken de spectrometers om de eigenschappen van die deeltjes in de eindtoestand te bestuderen en kijken terug naar de kern en proberen te begrijpen wat er in de kern gebeurde voordat de reactie plaatsvond, ', zegt Cruz-Torres.

Dit experiment was uitdagend en baanbrekend omdat het met een ongekende precisie werd uitgevoerd op een breder scala aan energieën. In aanvulling, de tritiumgegevens zijn de allereerste ooit voor deze die deze reacties bestuderen.

De onderzoekers vergeleken vervolgens het volledige scala aan gegevens uit de experimenten met theoretische berekeningen over de structuur van de kernen van helium-3 en tritium. Ze ontdekten dat de gegevens over het algemeen goed overeenkwamen met de theorie voor beide kernen tot de precisie die door experiment was toegestaan, een prestatie die door een onderzoeker werd beschreven als een triomf van de moderne kernfysica. Echter, Er werden ook verschillen waargenomen met betrekking tot sommige van de berekeningen, wat aangeeft dat verdere verfijningen in de theoretische behandelingen nodig zijn.

"We verwachtten dat de helium-3-berekeningen aan het eind gemakkelijk overeen zouden komen met de gegevens, maar het bleek eigenlijk dat de tritiumdoorsnede heel goed paste bij de theoretische berekening, en de helium-3 niet zozeer door het hele bereik. Dus, we moeten teruggaan en naar helium-3 kijken, ", legt Hauenstein uit.

Dien bevestigt dat dit onverwachte resultaat nu de aanzet is om deze uiterst nauwkeurige studies van lichte kernen serieus voort te zetten.

"Voordat, we dachten dat we de berekeningen heel goed begrepen, " zegt Nguyen. "Maar nu, het resultaat is wat ons drijft om een ​​nog gedetailleerdere meting te doen, omdat we zeker willen weten dat we een goede overeenkomst hebben met de theorie."