Een nieuwe studie bij ISOLDE vindt geen handtekening van een "magisch" aantal neutronen in kalium-51, het uitdagen van de voorgestelde magische aard van kernen met 32 ​​neutronen.

De magie lijkt weg te ebben van sommige atoomkernen. De laatste metingen van de afmetingen van kaliumkernen die rijk zijn aan neutronen tonen geen handtekening van een "magisch" aantal neutronen in kalium-51, die 19 protonen en 32 neutronen heeft. Het resultaat, verkregen door een team van onderzoekers met behulp van CERN's kernfysica-faciliteit ISOLDE en beschreven in een paper dat zojuist is gepubliceerd in Natuurfysica , daagt kernfysica-theorieën en de voorgestelde magische aard van kernen met 32 ​​neutronen uit.

Van protonen en neutronen wordt gedacht dat ze elk een reeks schillen met verschillende energie innemen in een atoomkern, net zoals elektronen in een atoom een ​​reeks schillen rond de kern opvullen. In dit nucleaire shell-model, kernen waarin protonen of neutronen complete schillen vormen, zonder ruimte over voor extra deeltjes, worden "magie" genoemd omdat ze sterker gebonden en stabieler zijn dan hun nucleaire buren. Het aantal protonen of neutronen in dergelijke kernen worden magische getallen genoemd, en zijn hoekstenen waarop natuurkundigen hun begrip van kernen bouwen.

Eerdere studies gaven aan dat kernen met precies of bijna 20 protonen en met 32 ​​neutronen magisch zijn op basis van de energie die nodig is om een ​​paar neutronen uit de kern te verwijderen of om de kern naar een hoger energieniveau te brengen. Echter, metingen van hoe de (ladings)stralen van neutronenrijke kalium- en calciumkernen veranderen als er neutronen aan worden toegevoegd, hebben deze indicatie uitgedaagd, omdat ze geen plotselinge relatieve afname in de stralen van kalium-51 en calcium-52 vertoonden, die beide 32 neutronen hebben. Zo'n daling, ten opzichte van nucleaire buren met minder neutronen, zou aangeven dat 32 een magisch neutronengetal is en dat kernen met 32 ​​neutronen magisch zijn.

Een magisch neutronengetal van 32 kan ook worden onthuld door een plotselinge relatieve toename van de stralen van kernen die nog een neutron hebben, dat zijn 33 neutronen. Dit is precies wat het team achter de nieuwste ISOLDE-studie wilde onderzoeken. Door twee technieken te combineren, de ISOLDE-onderzoekers waren in staat om radiimetingen te doen van neutronenrijke kaliumkernen en deze uit te breiden tot kalium-52, die 33 neutronen heeft. De twee technieken zijn een soort laserspectroscopie genaamd collineaire resonantie-ionisatiespectroscopie (CRIS), waarmee neutronenrijke kernen met hoge precisie kunnen worden bestudeerd, en β-vervaldetectie, die de detectie van bètadeeltjes (elektronen of positronen) omvat die door de kernen worden uitgezonden.

De nieuwe ISOLDE-metingen toonden geen plotselinge relatieve toename van de straal van kalium-52, en dus geen handtekening van "magie" bij neutronennummer 32.

De onderzoekers gingen verder met het modelleren van de gegevens met ultramoderne nucleaire theorieën, vinden dat de gegevens deze theorieën uitdagen. "De beste kernfysische modellen op de markt kunnen de gegevens niet op een bevredigende manier reproduceren, " zegt hoofdauteur van het artikel Agi Koszorus. "Als ze één kenmerk van de gegevens goed krijgen, ze missen de rest helemaal, ", voegde co-hoofdauteur Xiaofei Yang toe.

"Deze studie benadrukt ons beperkte begrip van neutronenrijke kernen, " zegt co-auteur Thomas Cocolios. "Hoe meer we deze exotische kernen bestuderen, hoe meer we beseffen dat de modellen de experimentele resultaten niet reproduceren. Het is alsof je een kaart vol snelwegen hebt, maar zodra je een pad van die snelwegen neemt, je kunt net zo goed op de maan lopen voor zover we weten."

"Dit resultaat laat zien hoeveel werk er nog voor ons is om de atoomkern te begrijpen - waarschijnlijk het minst begrepen rijk van de natuurkunde, ’ besluit Cocolios.