IFJ PAN-wetenschappers bevestigden samen met collega's van de Universiteit van Milaan (Italië) en andere landen de noodzaak om de drie-nucleon-interacties op te nemen in de beschrijving van elektromagnetische overgangen in de ²⁰ O atoomkern. Essentieel voor het valideren van de moderne theoretische berekeningen van de nucleaire structuur was de toepassing van ultramoderne gammastraaldetectorsystemen en de nieuw ontwikkelde techniek voor het meten van femtoseconde-levensduren in exotische kernen die zijn geproduceerd in diep-inelastische reacties van zware ionen.

Atoomkernen bestaan ​​uit nucleonen:protonen en neutronen. Protonen en neutronen zijn systemen van quarks en gluonen die bij elkaar worden gehouden door sterke nucleaire interacties. De fysica van quarks en gluonen wordt beschreven door kwantumchromodynamica (QCD), dus we konden verwachten dat de eigenschappen van kernkrachten ook uit deze theorie zouden voortvloeien. Helaas, ondanks vele pogingen, het bepalen van de kenmerken van sterke interacties op basis van QCD stuit op enorme rekenproblemen. Echter, er is relatief veel bekend over de eigenschappen van kernkrachten - deze kennis is gebaseerd op jarenlange experimenten. Er zijn ook theoretische modellen ontwikkeld die de basiseigenschappen kunnen reproduceren van krachten die tussen een paar nucleonen werken - ze maken gebruik van de zogenaamde effectieve nucleon-nucleon interactiepotentialen.

De details kennen van de interactie tussen twee nucleonen, we zouden verwachten dat de beschrijving van de structuur van een atoomkern geen probleem zal zijn. Verrassend genoeg, het blijkt dat wanneer een derde nucleon wordt toegevoegd aan het systeem met twee nucleonen, de aantrekkingskracht tussen de eerste twee nucleonen neemt toe. Wat volgt, de sterkte van de interactie tussen de componenten van elk paar nucleonen in het drielichamensysteem neemt toe - er treedt een extra kracht op die in het geval van een geïsoleerd paar niet lijkt te bestaan. Deze raadselachtige bijdrage wordt de onherleidbare kracht van drie kernen genoemd.

Deze situatie bleek een inspiratie voor de wetenschappers van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen en hun collega's van de Universiteit van Milaan. Ze realiseerden zich dat een perfecte test voor de aanwezigheid van drie-nucleon-interacties in kernen zou kunnen zijn om de levensduur van geselecteerde aangeslagen toestanden in neutronenrijke zuurstof- en koolstofisotopen te bepalen. Als resultaat van gedetailleerde analyses, het concept van een experiment was geboren, wiens coördinatoren Prof. Silvia Leoni van de Universiteit van Milaan en Dr. Michal Ciemala en Prof. Bogdan Fornal van IFJ PAN werden. Onderzoekers van het Franse GANIL-laboratorium in Caen en andere onderzoeksinstellingen van over de hele wereld werden ook uitgenodigd om mee te werken aan dit project.

"Het experiment was gericht op het bepalen van de levensduur van aangeslagen nucleaire toestanden voor neutronenrijke koolstof- en zuurstofisotopen, ¹⁶ C en ²⁰ O, " legt prof. Fornal uit. "In deze kernen, de opgewonden toestanden verschijnen, die bijzonder gevoelig lijken te zijn voor de opname in de berekeningen van de interactie tussen drie lichamen (nucleon-nucleon-nucleon-NNN) naast de nucleaire interactie tussen twee lichamen (nucleon-nucleon-NN). In het geval van de ²⁰ O kern, de levensduur van de tweede aangeslagen toestand 2+, berekend voor alleen de NN-interactie, moet 320 femtoseconden zijn, rekening houdend met de NN- en NNN-interacties, de berekeningen geven het resultaat van 200 femtoseconden. Voor de levensduur van de tweede toestand 2+ in ¹⁶ C, het verschil is nog groter:370 femtoseconden (NN) versus 80 femtoseconden (NN + NNN)."

Het experiment gewijd aan het meten van de levensduur werd uitgevoerd in het onderzoekscentrum GANIL in Caen, Frankrijk. Wetenschappers gebruikten gammastralingsdetectoren (AGATA en PARIS) die waren aangesloten op een magnetische spectrometer (VAMOS). De reactie van een 18O-straal met een 181Ta-doel genereerde opgewonden atoomkernen van elementen zoals B, C, N, O en F als gevolg van diepe inelastische verstrooiing of nucleonoverdrachtsprocessen. In de onderzochte bewegende kernen, de aangeslagen kwantumtoestanden vervallen door de emissie van hoogenergetische fotonen, waarvan de energie was verschoven ten opzichte van de energie van overgangen in het rustframe. Deze verschuiving hangt af van de snelheid van de fotonen-emitterende kern en de emissiehoek. Dit fenomeen wordt beschreven door de relativistische Doppler-formule.

Voor een levensduur op nucleair niveau die korter is dan de vliegtijd van de aangeslagen kern door het doel (ongeveer 300 femtoseconden), gamma-kwantumemissie vindt meestal plaats wanneer de kern zich nog in het doelwit bevindt. In het beschreven geval maten wetenschappers de kernsnelheid nadat deze door het doelwit was gegaan. Door deze snelheid te gebruiken om het spectrum van gammastralingsenergie te corrigeren, verkregen spectraallijnen hebben de vorm die overeenkomt met de Gauss-verdeling voor gevallen waarin de levensduur van de aangeslagen toestand lang is. Voor levensduren van 100 tot 200 femtoseconden vertonen spectraallijnen een asymmetrische component en voor levensduren van minder dan 100 femtoseconden zijn ze volledig verschoven naar kleinere energieën.

"Om de levensduur te bepalen, we hebben simulaties uitgevoerd en hun resultaten vergeleken met het gemeten spectrum van gammastralingsenergie, " zegt dr. Ciemala, de auteur van het concept van het meten van de vervaltijd van de nucleaire toestand die in het experiment werd gebruikt. "In deze onderzoeken de hierboven beschreven methode werd voor het eerst toegepast om de levensduur van aangeslagen toestanden te bepalen in kernen die zijn geproduceerd in diep-inelastische reacties. Het vereiste de ontwikkeling van geavanceerde Monte Carlo-simulatiecodes die reactiekinematica omvatten en de gemeten snelheidsverdelingen van reactieproducten reproduceren. De gebruikte methode, in combinatie met de toegepaste detectiesystemen, heeft zeer bevredigende resultaten opgeleverd."

Met het beschreven onderzoek konden wetenschappers voor het eerst de levensduur meten van tientallen en honderden femtoseconden van een nucleaire toestand die werd gecreëerd in een diep-inelastische reactie - in het beschreven geval was het de tweede toestand 2+ in de ²⁰ O-kern waarvoor de levensduur van 150 femtoseconden werd verkregen. De validiteit van de nieuwe methode werd aangetoond door het bepalen van de levensduur van de aangeslagen toestanden in de ¹⁹ O-kern die perfect overeenkwam met de literatuurgegevens. Er moet worden benadrukt dat de levensduur van de tweede 2+ toestand in ²⁰ O, verkregen in dit werk, is het alleen eens met de theoretische voorspellingen als er tegelijkertijd rekening wordt gehouden met interacties tussen twee en drie lichamen. Dit leidt tot de conclusie dat de meetgrootheden die worden geleverd door elektromagnetische overgangen en verkregen met behulp van nauwkeurige gammaspectroscopie, zeer goede sondes kunnen zijn bij het beoordelen van de kwaliteit van ab initio-berekeningen van de nucleaire structuur.

"Deze ontwikkelde baanbrekende procedure zal ons helpen de levensduur van aangeslagen toestanden te meten voor zeer exotische kernen ver van de stabiliteitsvallei, die kunnen worden gecreëerd in diep-inelastische reacties met behulp van radioactieve stralen met hoge intensiteit, die binnenkort beschikbaar zal zijn, bijvoorbeeld, bij de INFN Laboratori Nazionali di Legnaro bij Padua in Italië, " stelt Prof. Fornal. "De verkregen informatie zal essentieel zijn voor nucleaire astrofysica en zeker bijdragen aan de vooruitgang in het begrijpen van de vorming van atoomkernen in het snelle neutronenvangstproces bij supernova-explosies of het samensmelten van neutronensterren dat recentelijk is waargenomen door zwaartekrachtsgolven te meten die samenvallen met gammastraling."