De atoomkern is een drukke plaats. De samenstellende protonen en neutronen botsen af ​​​​en toe en vliegen kort uit elkaar met een hoog momentum voordat ze weer in elkaar klikken als de twee uiteinden van een uitgerekte rubberen band. Met behulp van een nieuwe techniek ontdekten natuurkundigen die deze energetische botsingen in lichte kernen bestudeerden iets verrassends:protonen botsen vaker met hun mede-protonen en neutronen met hun mede-neutronen vaker dan verwacht.

De ontdekking werd gedaan door een internationaal team van wetenschappers, waaronder onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab), met behulp van de Continuous Electron Beam Accelerator Facility in de Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) van DOE in Virginia. Het werd gemeld in een artikel dat vandaag is gepubliceerd in het tijdschrift Nature .

Het begrijpen van deze botsingen is belangrijk voor het interpreteren van gegevens in een breed scala aan natuurkundige experimenten die elementaire deeltjes bestuderen. Het zal natuurkundigen ook helpen de structuur van neutronensterren beter te begrijpen - ingestorte kernen van reuzensterren die tot de dichtste vormen van materie in het universum behoren.

John Arrington, een Berkeley Lab-wetenschapper, is een van de vier woordvoerders van de samenwerking, en Shujie Li, de hoofdauteur van de krant, is een postdoc van Berkeley Lab. Beiden bevinden zich in de Nuclear Science Division van Berkeley Lab.

Protonen en neutronen, de deeltjes waaruit atoomkernen bestaan, worden gezamenlijk nucleonen genoemd. In eerdere experimenten hebben natuurkundigen energetische twee-nucleonbotsingen bestudeerd in een handvol kernen variërend van koolstof (met 12 nucleonen) tot lood (met 208). De resultaten waren consistent:proton-neutronenbotsingen vormden bijna 95% van alle botsingen, met proton-proton- en neutronen-neutronenbotsingen voor de resterende 5%.

Het nieuwe experiment in Jefferson Lab bestudeerde botsingen in twee "spiegelkernen" met elk drie nucleonen, en ontdekte dat proton-proton- en neutron-neutronenbotsingen verantwoordelijk waren voor een veel groter deel van het totaal - ongeveer 20%. "We wilden een aanzienlijk nauwkeurigere meting doen, maar we hadden niet verwacht dat het dramatisch anders zou zijn", zegt Arrington.

Een botsing gebruiken om een ​​andere te bestuderen

Atoomkernen worden vaak afgebeeld als dicht opeengepakte clusters van aan elkaar geplakte protonen en neutronen, maar deze nucleonen draaien in feite constant om elkaar heen. "Het is net als het zonnestelsel, maar veel drukker", zei Arrington. In de meeste kernen brengen nucleonen ongeveer 20% van hun leven door in aangeslagen toestanden met een hoog momentum als gevolg van botsingen met twee nucleonen.

Om deze botsingen te bestuderen, zappen natuurkundigen kernen met bundels van hoogenergetische elektronen. Door de energie en de terugslaghoek van een verstrooid elektron te meten, kunnen ze afleiden hoe snel het nucleon dat het raakte, zich moet hebben verplaatst. "Het is als het verschil tussen het stuiteren van een pingpongbal van een bewegende voorruit of een stilstaande voorruit", zei Arrington. Dit stelt hen in staat om gebeurtenissen te onderscheiden waarin een elektron verstrooid werd van een hoog-impuls proton dat onlangs in botsing kwam met een ander nucleon.

Bij deze elektron-protonbotsingen pakt het binnenkomende elektron genoeg energie in om het reeds aangeslagen proton helemaal uit de kern te slaan. Dit verbreekt de rubberen band-achtige interactie die normaal gesproken het aangeslagen nucleonpaar in toom houdt, zodat het tweede nucleon ook aan de kern ontsnapt.

In eerdere studies van botsingen tussen twee lichamen concentreerden natuurkundigen zich op verstrooiingsgebeurtenissen waarbij ze het terugkaatsende elektron samen met beide uitgeworpen nucleonen detecteerden. Door alle deeltjes te taggen, konden ze het relatieve aantal proton-protonparen en proton-neutronenparen optellen. Maar zulke 'drievoudige toeval'-gebeurtenissen zijn relatief zeldzaam, en de analyse vereiste zorgvuldige boekhouding voor extra interacties tussen nucleonen die de telling zouden kunnen verstoren.

Spiegelkernen verhogen precisie

De auteurs van het nieuwe werk hebben een manier gevonden om het relatieve aantal proton-proton- en proton-neutronenparen vast te stellen zonder de uitgeworpen nucleonen te detecteren. De truc was om verstrooiing te meten van twee "spiegelkernen" met hetzelfde aantal nucleonen:tritium, een zeldzame isotoop van waterstof met een enkel proton en twee neutronen, en helium-3, dat twee protonen en een enkel neutron heeft. Helium-3 lijkt precies op tritium met verwisselde protonen en neutronen, en deze symmetrie stelde natuurkundigen in staat om botsingen met protonen te onderscheiden van botsingen met neutronen door hun twee datasets te vergelijken.

De poging tot spiegelkern begon nadat natuurkundigen van Jefferson Lab plannen hadden gemaakt om een ​​tritiumgascel te ontwikkelen voor elektronenverstrooiingsexperimenten - het eerste dergelijke gebruik van deze zeldzame en temperamentvolle isotoop in decennia. Arrington en zijn medewerkers zagen een unieke kans om botsingen tussen twee lichamen in de kern op een nieuwe manier te bestuderen.

Het nieuwe experiment was in staat om veel meer gegevens te verzamelen dan eerdere experimenten omdat de analyse geen zeldzame drievoudige toevalsgebeurtenissen vereiste. Hierdoor kon het team de nauwkeurigheid van eerdere metingen met een factor tien verbeteren. Ze hadden geen reden om te verwachten dat botsingen tussen twee kernen anders zouden werken in tritium en helium-3 dan in zwaardere kernen, dus de resultaten kwamen als een verrassing.

Sterke krachtmysteries blijven bestaan

De sterke kernkracht is goed begrepen op het meest fundamentele niveau, waar het subatomaire deeltjes bestuurt die quarks en gluonen worden genoemd. Maar ondanks deze stevige fundamenten zijn de interacties van composietdeeltjes zoals nucleonen erg moeilijk te berekenen. Deze details zijn belangrijk voor het analyseren van gegevens in experimenten met hoge energie die quarks, gluonen en andere elementaire deeltjes zoals neutrino's bestuderen. Ze zijn ook relevant voor hoe nucleonen op elkaar inwerken in de extreme omstandigheden die heersen in neutronensterren.

Arrington vermoedt wat er aan de hand kan zijn. Het dominante verstrooiingsproces binnen kernen gebeurt alleen voor proton-neutronenparen. Maar het belang van dit proces ten opzichte van andere soorten verstrooiing die geen onderscheid maken tussen protonen en neutronen, kan afhangen van de gemiddelde scheiding tussen nucleonen, die meestal groter is in lichte kernen zoals helium-3 dan in zwaardere kernen.

Meer metingen met andere lichtkernen zullen nodig zijn om deze hypothese te testen. "Het is duidelijk dat helium-3 anders is dan het handjevol zware kernen dat werd gemeten," zei Arrington. "Nu willen we aandringen op nauwkeurigere metingen aan andere lichte kernen om een ​​definitief antwoord te geven." + Verder verkennen

Nieuwe experimenten met diepe inelastische verstrooiing meten twee spiegelkernen