Het meten van de grootte van atoomkernen is soms nuttig geweest om aspecten van nucleon-nucleon interactie en de bulkeigenschappen van nucleaire materie te onderzoeken. De ladingsstraal van atoomkernen, die kunnen worden geëxtraheerd met behulp van laserspectroscopietechnieken, is gevoelig voor zowel de bulkeigenschappen van nucleaire materie als voor bijzonder subtiele details van de interacties tussen protonen en neutronen.

Veel recente studies hebben dus de eigenschappen onderzocht van kernen met ongebalanceerde proton-neutronenverhoudingen, zogenaamde exotische kernen. Deze exotische kernen bleken nieuwe verschijnselen te vertonen en zijn dus waardevol gebleken voor het testen van de nucleaire theorie en het verbeteren van het huidige begrip van nucleaire krachten.

Onder andere, het onderzoeken van exotische kernen kan helpen om nieuwe magische getallen te identificeren. In deze context, de term 'magische getallen' verwijst naar het aantal protonen of neutronen dat overeenkomt met volledig gevulde schillen in deze kernen.

Een onderzoeksteam onder leiding van natuurkundigen van het Instituut voor Kern-en Stralingsfysica, KU Leuven, in België en door de Universiteit van Peking in China hebben onlangs een studie uitgevoerd naar exotische kaliumisotopen met 32 ​​neutronen, waarvan werd voorspeld dat het een magisch getal zou zijn. hun papier, gepubliceerd in Natuurfysica , presenteert bewijs dat state-of-the-art nucleaire theorieën in twijfel trekt.

"Het magische karakter van een proton- of neutronengetal, onder andere, wordt weerspiegeld in een kleinere afmeting van de magische kern, vergeleken met zijn buren, "Agota Koszorus, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Er zijn verschillende bekende magische getallen zoals 2, 8 20 of 28, echter in het massagebied van de kaliumisotopen, 32 is voorgesteld als een nieuw magisch neutronengetal. Het doel van ons experiment was om de ladingsstraal te meten van de kaliumisotoop die 33 neutronen heeft en om de grootte van de voorgestelde magie te kunnen vergelijken. N =32 isotoop naar zijn aansteker (N =31) en zwaarder ( N =33) buren."

Het identificeren van nieuwe magische getallen is het hoofddoel geweest van veel recente onderzoeken naar nucleaire structuren. Het bestuderen van neutronenrijke isotopen zoals die onderzocht zijn door Koszorus en haar collega's, echter, kan erg uitdagend zijn, om verschillende redenen.

Ten eerste, deze isotopen kunnen alleen worden geproduceerd in radioactieve ionenbundelfaciliteiten zoals ISOLDE op CERN. In aanvulling, ze hebben over het algemeen een zeer korte halfwaardetijd (bijv. 110 ms lang in het geval van ⁵² K). Dit betekent dat onderzoekers na productie zeer weinig tijd hebben om ze voor te bereiden op metingen en om ze daadwerkelijk te onderzoeken. In het specifieke geval van ⁵² K, een extra uitdaging was de grote isobare verontreiniging in de bij ISOLDE geproduceerde bundel.

" N =32 is een voorgesteld nieuw magisch getal voor neutronen in het Ca-gebied op basis van de meting van de nucleaire massa en 2 ⁺ energie meting, "Xiaofei Yang, een andere onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was, vertelde Phys.org. "Echter, dit magische effect is nog niet bevestigd door de nucleaire momenten of radii-metingen vanwege de beperkte experimentele informatie in het Ca-gebied."

Koszorus, Yang en hun collega's waren de eersten die de bovenstaande ladingsstralen bestudeerden N =32 en hierdoor konden ze uiteindelijk bepalen of het "magische effect" in de nucleaire stralen verscheen. Een ander doel van hun studie was om de recente vooruitgang te onderzoeken die is geboekt bij de ontwikkeling van modellen op basis van nucleaire theorie.

"Hoewel in de ISOLDE-faciliteit de ionen massaal worden geselecteerd voordat ze aan de experimentele opstellingen worden afgeleverd, er is een stabiele chroomisotoop met een zeer vergelijkbare massa, die overvloedig aanwezig is in de natuur, en in de omgeving van de productiesite van ISOLDE, " legde Koszorus uit. "Dit betekende dat terwijl elke seconde 200 ⁵² K-isotopen werden geleverd aan onze experimentele opstelling, Ook werden 6 miljoen stabiele Cr-isotopen geleverd, wat resulteerde in overweldigende achtergrondcijfers. We moesten daarom onze opstelling aanpassen om te vertrouwen op detectie van de bètadeeltjes die worden uitgezonden bij het radioactieve verval van ⁵² K. De stabiele Cr kon dus niet bijdragen aan de achtergrond."

Interessant Koszorus, Yang en hun collega's vonden geen teken van magisch gedrag in de evolutie van de nucleaire grootte van de kaliumisotoop over de hele wereld N =32 neutronengetal. De onderzoekers vergeleken hun waarnemingen ook met de resultaten van berekeningen op basis van ultramoderne theoretische nucleaire modellen, namelijk de energiedichtheidsfunctionaal (DFT) methode en de gekoppelde cluster (CC) theorie.

"De DFT is een ideale methode voor zwaardere kernen, overwegende dat het CC-model meer geschikt is voor lichte en middelzware kernen, " zei Koszorus. "Het kaliumgebied is een dwingende ontmoetingsplaats om deze benaderingen gelijktijdig te testen. Beide theoretische methoden hebben informatie nodig over de nucleaire interacties. Voor dit doeleinde, ultramoderne nucleaire structuurmodellen werden toegepast:de DFT-berekeningen maakten gebruik van zeer succesvolle Fayans-energiedichtheidsfunctionaliteit en CC-berekeningen gebruikten ab-initio chiraal potentieel."

De onderzoekers ontdekten dat de theoretische modellen met succes de veranderingen in de gemiddelde kwadratische ladingsstralen voorspelden die ze waarnamen in isotopen onder de N =28 magisch getal. De modellen die ze testten, bleken bruikbaar voor het modelleren van isotopen met ongepaarde protonen en neutronen.

"Uit de vergelijking tussen de gemeten en voorspelde veranderingen in de gemiddelde kwadratische ladingsstralen blijkt duidelijk dat de berekeningen zeer goed presteren bij het voorspellen van de algemene trend onder de N =28 magisch getal, met succes de uitdaging aangaan om isotopen met ongepaarde protonen en neutronen te modelleren, ' zei Koszorus. 'Bij nader inzien, echter, het wordt duidelijk dat de ab initio gekoppelde clusterberekeningen tekortschieten in het voorspellen van de steile toename van de ladingsstralen van de neutronenrijke isotopen."

De onderzoekers veronderstelden dat de problemen en inconsistenties tussen de gekoppelde clusterberekeningen en hun metingen geworteld zouden kunnen zijn in het veellichamenkarakter van het CC-model. Anderzijds, terwijl het Fayans DFT-model de algemene trend goed voorspelde, het overschatte de variatie tussen de grootte van oneven en even massa-isotopen.

Algemeen, deze bevindingen suggereren dat bestaande nucleaire theorieën mogelijk verder moeten worden geperfectioneerd voordat ze magische getallen in exotische isotopen effectief kunnen voorspellen. Met andere woorden, het lijkt erop dat het huidige begrip van de nucleaire eigenschappen en structuur van neutronenrijke isotopen nog zeer beperkt is. In de toekomst, de methoden die door dit team van onderzoekers worden gebruikt, kunnen worden gebruikt om andere exotische isotopen met een korte levensduur te bestuderen.

"Het verhaal van de nieuw opkomende magische getallen rond de kaliumisotopen is nog lang niet voorbij, en een ander magisch getal werd voorgesteld bij neutronennummer 34, " zei Koszorus. "De studie van deze kernen vereist een nog hogere experimentele efficiëntie, aangezien de productieopbrengsten lager zijn dan 100 ionen per seconde. We werken continu aan technische ontwikkelingen om onze experimentele opstelling te verbeteren en binnenkort zullen we klaar zijn om de grenzen of de huidige state-of-the-art technieken te verleggen en ons begrip van de nucleaire structuur van zeer neutronenrijke isotopenkernen te testen."

Een belangrijk doel van veel hedendaagse kernfysica-onderzoeken is het verkennen van de grenzen en eigenschappen van atoomkernen die worden bestuurd door kernkrachten, om hun structuur beter te begrijpen. In hun volgende studies, Koszorus, Yang en hun collega's zijn ook van plan om steeds geavanceerdere laserspectroscopietechnieken te ontwikkelen, omdat deze kunnen worden gebruikt om atoomkernen met grotere precisie te onderzoeken en betrouwbaardere metingen te verzamelen.

© 2021 Science X Network