I mer än ett decennium har ett tvärvetenskapligt team av kemister och fysiker inom Arts &Sciences vid Washington University i St. Louis har jagat atomkärnan. Med progressiva studier, de flyttade upp elementkedjan till Calcium-48, en extremt sällsynt fast vara som har fler neutroner än protoner och, som sådan, bär en rejäl prislapp på $ 100, 000 per gram.

Det är ett konstigt material, med den här speciella studien tog kemisterna från Washington University Robert J. Charity och Lee G. Sobotka från Duke's Triangle Universities Nuclear Laboratory till Department of Energy Los Alamos (N.M.) National Laboratory.

"Om du lämnar det på ett bord, det blir till pulver, "sa medförfattaren Charity, en forskningsprofessor i kemi i konst och vetenskap. "Kalcium oxiderar mycket snabbt i luften. Det var oroande."

I sista hand, tre gram Ca-48 hjälpte till att ta fram ett tvåkantigt fynd för välgörenhet och medförfattare Willem H. Dickhoff, professor i fysik. Deras team upptäckte både en ram för att förutsäga var neutroner kommer att bo i en kärna och ett sätt att förutsäga hudens tjocklek på en kärna.

I sin forskning publicerad 29 november i Fysiska granskningsbrev , de förutspådde hur neutronerna skulle skapa en tjock hud, och att denna hud på Ca-48—3,5 femtometer (fm) i radie-mätte 0,249 + 0,023 fm.

För att omvandla det till centimeter, den skulle mäta 2,49 × 10 ^-14 centimeter. Forskarna säger att nyckelfyndet är att huden är tjockare och mer neutronrik än man tidigare trott.

"Det länkar oss till astrofysik och, särskilt, neutronstjärnans fysik, "Dickhoff sa om forskningsresultaten." Los Alamos -experimentet var avgörande för den analys vi genomförde. I slutändan - eftersom den har denna extra uppsättning neutroner - får den oss till information som hjälper oss att ytterligare klargöra neutronstjärnornas fysik, där det finns många fler neutroner i förhållande till protoner.

"Och det ger oss möjlighet att förutsäga var neutronerna finns i Ca-48, "Dickhoff sa." Det är den kritiska informationen, vilket leder till förutsägelse av neutronhuden. "

För välgörenhet, Dickhoff och medförfattare Hossein Mahzoon, PhD '15, en föreläsare i fysik vid Truman State University i Kirksville, Mo., och Mack Atkinson, en doktorand i fysik vid Washington University, jakten fortsätter.

De tittar med intresse på att Ca-48 är planerat att genomgå det renaste hudtjocklekstestet som finns tillgängligt via elektronacceleratorn vid Thomas Jefferson National Accelerator Facility i Newport News, Va.

Dessutom, de fortsätter att flytta upp elementkedjan av neutronrika kärnor till vad Charity kallade den "berömda kärnan" i Lead-208. Michael Keim, en senior i fysik, står i spetsen för en studie av Lead-208.

"Det kommer att ge oss ett experimentellt grepp om huruvida vår analys verkligen är förutsägbar, "Dickhoff sa." Vi tycker att vi har ett bra argument varför vi tycker att det har en tjock hud. Det finns en stor grupp människor ... som förutspår en mindre hud. Detta är direkt relevant för förståelsen av neutronstjärnornas storlek. Det är ännu inte kristallklart hur stor en neutronstjärna är - dess radie. "

Hur de gjorde sin analys och nådde denna förutsägbara ram är också en del av deras decennialånga strävan. Deras kemi-fysikgrupp abonnerar på "spridningsrelationer, "vilken Sobotka, som är professor i kemi och fysik, förklarade enkelt:"Det är det som säger att du inte ska skratta innan du kittlas. Det betyder att kausalitet beaktas ordentligt."

Kortfattat, de analyserar alla energier samtidigt snarare än att fokusera på en enda energi.

Sedan första utgivningen tillsammans 2006, de har använt den dispersiva optiska modellen (DOM) som utvecklades för ett kvartssekel sedan av Claude Mahauxa, en kärnteoretiker från Belgien. De utvidgade det - över energidomäner och isotoper - så att de kunde försöka förutsäga var kärnpartiklarna är.

"Vi var tvungna att ta det tekniska steget för att inkludera känsligheten hos partiklar, "Sade Dickhoff. Han använde händerna för att illustrera mitten och sedan resten av en kärna:" Om de är här, de påverkades också av överallt. Som vi kallar 'icke -lokalitet'. Utan det, du kan inte göra dessa förutsägelser. "

Tunga neutronrika element beter sig annorlunda. Så det här laget fortsätter att stiga upp i tungviktsklasserna:Ca-40, Ca-48, Bly-208. "Hur långt kan du gå ut längs en isotopkedja tills du tappar neutroner?" Välgörenhet sa. Det ger dem hud i hudspelet.

"När du sätter i extra neutroner, det gillar inte det, rätt? "Välgörenhet sa om atomkärnan." Det måste ta reda på hur man rymmer dessa extra neutroner. Det kan placera dem jämnt i hela kärnan. Eller det kan sätta dem på ytan. Så frågan är:Är denna kraft starkare i kärnans lågdensitetsregion eller svagare? "

"Vi vet var protonerna är, "Tillade Dickhoff." Det är väl etablerat experimentellt. Men du kan inte göra det enkelt med neutroner. Jag vill helt enkelt veta vilken nukleon, en proton eller en neutron, gör. Hur spenderar den sin tid? Nukleoner är mer interaktiva - de gör andra saker än att sitta tysta i sina banor. Det är vad denna metod kan berätta för oss. "

Deras icke-lokala DOM-ram-ett decennium plus i beredningen-använder datormodellering och beräkningar samt laboratorieexperiment. Det tillåter dem att "göra en förutsägelse som är välgrundad och tas på allvar, "Sade Dickhoff." Därefter, vi kommer att ha en mätning för Lead-208. "