Natuurkundigen aan het MIT en elders blazen ionenbundels op protonenwolken - zoals het gooien van nucleaire pijlen met de snelheid van het licht - om de structuur van de atoomkern in kaart te brengen.

Het experiment is een inversie van de gebruikelijke deeltjesversnellers, die elektronen naar atoomkernen slingeren om hun structuren te onderzoeken. Het team gebruikte deze 'inverse kinematica'-benadering om de rommelige, kwantummechanische invloeden binnen een kern, om een ​​duidelijk beeld te geven van de protonen en neutronen van een kern, evenals zijn korteafstandsgecorreleerde (SRC) paren. Dit zijn paren protonen of neutronen die kort binden om superdichte druppeltjes nucleaire materie te vormen en waarvan wordt gedacht dat ze de ultradichte omgevingen in neutronensterren domineren.

De resultaten, vandaag gepubliceerd in Natuurfysica , demonstreren dat inverse kinematica kan worden gebruikt om de structuur van meer onstabiele kernen te karakteriseren - essentiële ingrediënten die wetenschappers kunnen gebruiken om de dynamiek van neutronensterren en de processen waarmee ze zware elementen genereren te begrijpen.

"We hebben de deur geopend voor het bestuderen van SRC-paren, niet alleen in stabiele kernen, maar ook in neutronenrijke kernen die zeer overvloedig voorkomen in omgevingen zoals fusies van neutronensterren, " zegt co-auteur van de studie Or Hen, assistent-professor natuurkunde aan het MIT. "Dat brengt ons dichter bij het begrijpen van dergelijke exotische astrofysische verschijnselen."

Hen's co-auteurs zijn onder meer Jullian Kahlbow en Efrain Segarra van MIT, Eli Piasetzky van de Universiteit van Tel-Aviv, en onderzoekers van de Technische Universiteit van Darmstadt, het Gemeenschappelijk Instituut voor Nucleair Onderzoek (JINR) in Rusland, de Franse Commissie voor alternatieve energie en atoomenergie (CEA), en het GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research in Duitsland.

Een omgekeerde versneller

Deeltjesversnellers tasten typisch nucleaire structuren af ​​via elektronenverstrooiing, waarin hoogenergetische elektronen worden gestraald naar een stationaire wolk van doelkernen. Als een elektron een kern raakt, het schakelt protonen en neutronen uit, en het elektron verliest daarbij energie. Onderzoekers meten de energie van de elektronenstraal voor en na deze interactie om de oorspronkelijke energieën te berekenen van de protonen en neutronen die werden weggegooid.

Terwijl elektronenverstrooiing een precieze manier is om de structuur van een kern te reconstrueren, het is ook een kansspel. De kans dat een elektron een kern raakt is relatief klein, gezien het feit dat een enkel elektron verdwijnend klein is in vergelijking met een hele kern. Om deze kans te vergroten, bundels worden geladen met steeds hogere elektronendichtheden.

Wetenschappers gebruiken ook bundels van protonen in plaats van elektronen om kernen te onderzoeken, omdat protonen vergelijkbaar groter zijn en meer kans hebben om hun doel te raken. Maar protonen zijn ook complexer, en gemaakt van quarks en gluonen, waarvan de interacties de uiteindelijke interpretatie van de kern zelf kunnen vertroebelen.

Om een ​​duidelijker beeld te krijgen, natuurkundigen hebben de afgelopen jaren de traditionele opzet omgekeerd:door een bundel kernen te richten, of ionen, op een doelwit van protonen, wetenschappers kunnen niet alleen direct de uitgeschakelde protonen en neutronen meten, maar vergelijk ook de oorspronkelijke kern met de resterende kern, of nucleair fragment, nadat het een interactie heeft gehad met een doelproton.

"Met omgekeerde kinematica, we weten precies wat er met een kern gebeurt als we zijn protonen en neutronen verwijderen, "zegt Hen.

Quantum zeven

Het team nam deze omgekeerde kinematica-benadering van ultrahoge energieën, met behulp van JINR's deeltjesversnellerfaciliteit om een ​​stationaire wolk van protonen te richten met een straal van koolstof-12-kernen, die ze uitschoten met 48 miljard elektronvolt - ordes van grootte hoger dan de energieën die van nature in kernen worden aangetroffen.

Bij zulke hoge energieën, elk nucleon dat interageert met een proton zal opvallen in de gegevens, vergeleken met niet-interagerende nucleonen die met veel lagere energieën passeren. Op deze manier, eventuele interacties tussen een kern en een proton kunnen de onderzoekers snel isoleren.

Van deze interacties het team doorzocht de resterende nucleaire fragmenten, op zoek naar boor-11 - een configuratie van koolstof-12, minus een enkel proton. Als een kern begon als koolstof-12 en eindigde als boor-11, het kon alleen maar betekenen dat het een doelproton tegenkwam op een manier die een enkel proton uitschakelde. Als het doelproton meer dan één proton heeft uitgeschakeld, het zou het resultaat zijn van kwantummechanische effecten in de kern die moeilijk te interpreteren zouden zijn. Het team isoleerde borium-11 als een duidelijke handtekening en verwierp elke aansteker, kwantumbeïnvloede fragmenten.

Het team berekende de energie van het proton dat uit de oorspronkelijke koolstof-12-kern was geslagen, gebaseerd op elke interactie die boor-11 produceerde. Als ze de energieën in een grafiek zetten, het patroon paste precies bij de gevestigde distributie van koolstof-12 - een validatie van de omgekeerde, energierijke aanpak.

Vervolgens richtten ze de techniek op gecorreleerde paren op korte afstand, om te zien of ze de respectievelijke energieën van elk deeltje in een paar konden reconstrueren - fundamentele informatie om uiteindelijk de dynamiek in neutronensterren en andere neutronendichte objecten te begrijpen.

Ze herhaalden het experiment en zochten deze keer naar boor-10, een configuratie van koolstof-12, minus een proton en een neutron. Elke detectie van boor-10 zou betekenen dat een koolstof-12-kern een interactie aangaat met een doelproton, die een proton uitschakelde, en zijn gebonden partner, een neutron. De wetenschappers konden de energie van zowel het doelwit als de uitgeschakelde protonen meten om de energie van het neutron en de energie van het oorspronkelijke SRC-paar te berekenen.

In alles, de onderzoekers observeerden 20 SRC-interacties en brachten daaruit de verdeling van koolstof-12 van SRC-energieën in kaart, die goed passen bij eerdere experimenten. De resultaten suggereren dat inverse kinematica kan worden gebruikt om SRC-paren te karakteriseren in meer onstabiele en zelfs radioactieve kernen met veel meer neutronen.

"Als alles omgekeerd is, dit betekent dat een straal die er doorheen gaat, kan worden gemaakt van onstabiele deeltjes met een zeer korte levensduur die een milliseconde duurt, " zegt Julian Kahlbow, een gezamenlijke postdoc aan het MIT en de Universiteit van Tel-aviv en een mede-hoofdauteur van het artikel. "Die milliseconde is genoeg voor ons om het te creëren, laat het interageren, en laat het gaan. Dus nu kunnen we systematisch meer neutronen aan het systeem toevoegen en zien hoe deze SRC's evolueren, die ons zal helpen te informeren wat er in neutronensterren gebeurt, die veel meer neutronen hebben dan al het andere in het universum."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.