Särkyneet atomiytimet: paljastavat niiden salaperäiset muodot

Särkyneet atomiytimet: paljastavat niiden salaperäiset muodot

Fyysikot ovat löytäneet uuden tavan tutkia atomiytimien muotoa - tuhoamalla ne suurienergisissa törmäyksissä. Tämä menetelmä voisi auttaa tutkijoita ymmärtämään paremmin ytimien muotoja, mikä vaikuttaa esimerkiksi tähdissä olevien alkuaineiden muodostumisnopeuteen ja auttaa määrittämään, mitkä materiaalit sopivat parhaiten ydinpolttoaineeksi.

"Ydinmuoto vaikuttaa lähes kaikkiin atomiytimen ja ydinprosessien näkökohtiin", sanoo Jie Meng, ydinfyysikko Pekingin yliopistosta Pekingissä. Uusi kuvantamismenetelmä, joka julkaistiin 6. marraskuuta Nature-lehdessä, edustaa "tärkeää ja jännittävää edistystä", sanoi Meng.

Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) -ryhmä Brookhaven National Laboratoryssa Uptonissa New Yorkissa törmäsi kaksi uraani-238-sädettä - ja myöhemmin kaksi kultasädettä - äärimmäisillä energioilla. Ne törmäsivät "niin rajusti, että periaatteessa sulatimme ytimet keitoksi", sanoo toinen kirjoittaja Jiangyong Jia, fyysikko Stony Brookin yliopistosta New Yorkissa.

Törmäyksissä syntynyt kuuma plasma laajeni erittäin nopeasti paineen alaisena, ja tämä liittyi ytimien alkuperäiseen muotoon. Käyttämällä RHIC:n Solenoidial Tracker- tai STAR-ilmaisinta, joka havaitsi useiden tuhansien molempien törmäystyyppien tuottamien hiukkasten vauhdin ja sovitti tulokset malleihin, tiimi pystyi "kääntämään kelloa taaksepäin päätelläkseen ytimien muodon", Jia selittää.

Piilotetut hahmot

Atomiydin koostuu protoneista ja neutroneista, jotka vievät energiatasoja kuten elektronit. Yleensä hiukkaset saavat muodon, joka minimoi järjestelmän energian. Kuten vesipisara, ydin voi ottaa erilaisia ​​muotoja, mukaan lukien päärynän, amerikkalaisen jalkapallon tai maapähkinän kuoren. Ytimen muotoa on "teoreettisesti erittäin vaikea ennustaa", Jia sanoo. Hän voi myös ajan myötä kvanttivaihteluista johtuen vaihdella.

Aiemmat kokeet muodon tutkimiseksi sisälsivät matalaenergisten ionien ohjaamisen pois ytimistä. Tämä menetelmä - nimeltään Coulombin viritys - kiihottaa ytimiä, ja säteily, jonka ne lähettävät, kun ne putoavat takaisin perustilaansa, paljastaa niiden muodon piirteitä. Koska aikaskaala on suhteellisen pitkä, tämäntyyppinen kuvantaminen voi näyttää vain pitkän aikavälin kuvan, joka näyttää kaikkien muodonvaihteluiden keskiarvon.

Sitä vastoin korkeaenerginen törmäysmenetelmä tarjoaa välittömän kuvan ytimistä törmäyksen aikana. Se on suorempi menetelmä, joten se sopii paremmin eksoottisten muotojen tutkimiseen, Jia sanoo.

Tekniikka vahvisti, että kullalla oli lähes pallomainen muoto, joka oli yhdenmukainen kuvasta toiseen. Sitä vastoin uraanin muoto muuttui tilannekuvissa, kun ytimet törmäsivät eri suuntiin. Tämä antoi tutkijoille mahdollisuuden laskea uraaniytimen suhteelliset pituudet kolmessa ulottuvuudessa, mikä viittaa siihen, että uraani ei ole vain venytetty, vaan myös hieman puristettu yhdessä ulottuvuudessa, samanlainen kuin deflatoitu amerikkalainen jalkapallo.

"On kiehtovaa, että se toimi" ja että muut ydinprosessit eivät vaikuttaneet hiukkasten päästöihin eivätkä peittäneet muodonmuutosta, sanoo Magdalena Zielińska, ydinfyysikko Ranskan vaihtoehtoisten energia- ja atomienergiavirastosta Pariisin lähellä.

Kovaa vai pehmeää?

Tämäntyyppinen kuvantaminen voisi auttaa ratkaisemaan haastavan tehtävän erottaa toisistaan ​​"jäykät", eli niillä on hyvin määritellyt muodot, ja "pehmeät" ytimet, jotka vaihtelevat, Zielińska sanoo.

Jia sanoo, että hänen tiiminsä haluaa myös käyttää menetelmää kevyiden ionien, kuten hapen ja neonin, erojen tutkimiseen. Happiytimet ovat lähes pallomaisia, kun taas neonytimien, joissa on kaksi protonia ja kaksi neutronia, katsotaan olevan taipuneita. Niiden muotojen vertailu antaisi tutkijoille mahdollisuuden ymmärtää, kuinka protonit ja neutronit muodostavat klustereita ytimissä, Jia sanoi.

Muotoa koskevat tiedot voivat myös paljastaa, ovatko ytimet todennäköisesti vuorovaikutuksessa toistensa kanssa tai käyvät läpi ydinfissioreaktion, ja voivat lisätä prosessin todennäköisyyttä ns. neutriiniton tupla β-hajoaminen selvittääkseen, mikä voisi auttaa ratkaisemaan fysiikan pitkäaikaisia ​​mysteereitä. Noin 99,9 % näkyvästä aineesta on atomien keskellä, Jia sanoo. "Ydinvoiman rakennuspalikan ymmärtäminen on käytännössä keskeistä ymmärtääksemme keitä olemme."

1. STAR Collaboration Nature https://doi.org/10.1038/s41586-024-08097-2 (2024).

   Artikla
   
   Google Scholar

Lataa lainaukset