För drygt ett decennium sedan drev forskare magnesiumatomer till nya gränser, fastnar extra neutroner i sina kärnor mot - och möjligen når - maxgränsen för detta element.

Nu, ett internationellt team som leds av forskare vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har reproducerat detta exotiska system, känd som magnesium-40, och fick nya och överraskande ledtrådar om dess kärnkraftsstruktur.

"Magnesium-40 sitter vid en korsning där det finns många frågor om hur det verkligen ser ut, "sa Heather Crawford, en personalvetare vid Nuclear Science Division vid Berkeley Lab och huvudförfattare till denna studie, publicerad online 7 februari i Fysiska granskningsbrev tidning. "Det är en extremt exotisk art."

Medan antalet protoner (som har en positiv elektrisk laddning) i dess atomkärna definierar ett element atomnummer - där det sitter på det periodiska bordet - kan antalet neutroner (som inte har någon elektrisk laddning) skilja sig åt. Den vanligaste och mest stabila typen av magnesiumatom som finns i naturen har 12 protoner, 12 neutroner, och 12 elektroner (som har en negativ laddning).

Atomer med samma grundämne med olika neutronantal kallas isotoper. Magnesium-40 (Mg-40) isotopen som forskarna studerade har 28 neutroner, vilket kan vara maximalt för magnesiumatomer. För ett givet element, det maximala antalet neutroner i en kärna kallas "neutrondroppsledningen - om du försöker lägga till en annan neutron när den redan har kapacitet, den extra neutronen kommer omedelbart att "droppa" ut ur kärnan.

"Det är extremt neutronrikt, "Crawford sa." Det är inte känt om Mg-40 är vid droppledningen, men det är säkert väldigt nära. Detta är en av de tyngsta isotoper som du för närvarande kan nå experimentellt nära dropplinjen. "

Kärnornas form och struktur nära dropplinjen är särskilt intressant för kärnfysiker eftersom den kan lära dem grundläggande saker om hur kärnor beter sig vid existensens ytterligheter.

"Den intressanta frågan i våra sinnen hela tiden, när du kommer så nära dropplinjen, är:'Ändras sättet som neutronerna och protonerna ordnar sig på?' "sa Paul Fallon, en senior forskare vid Berkeley Labs Nuclear Science Division och en medförfattare till studien. "Ett av de stora målen med kärnfysikområdet är att förstå strukturen från kärnan i ett element ända till dropplinjen."

En sådan grundläggande förståelse kan informera teorier om explosiva processer som skapandet av tunga element i stjärnfusioner och explosioner, han sa.

Studien är baserad på experiment vid Japans radioaktiva isotopstrålefabrik (RIBF), som ligger vid RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science i Wako, Japan. Forskare kombinerade kraften hos tre cyklotroner-en typ av partikelaccelerator som först utvecklades av Berkeley Labs grundare Ernest Lawrence 1931-för att producera partikelstrålar med mycket hög energi som färdades med cirka 60 procent av ljusets hastighet.

Forskargruppen använde en kraftfull stråle av kalcium-48, som är en stabil isotop av kalcium med ett magiskt antal av både protoner (20) och neutroner (28), att slå en roterande skiva av flera millimeter tjockt kol.

Några av kalcium-48-kärnorna kraschade in i kolkärnorna, i vissa fall producerar en aluminiumisotop som kallas aluminium-41. Kärnfysiska experimentet skilde ut dessa aluminium-41 atomer, som sedan kanaliserades för att träffa ett centimetertjockt plast (CH2) mål. Påverkan med detta sekundära mål slog en proton bort från några av aluminium-41-kärnorna, skapa Mg-40-kärnor.

Detta andra mål omringades av en gammastråldetektor, och forskare kunde undersöka upphetsade tillstånd av Mg-40 baserat på mätningarna av gammastrålarna som avges i strålmål-interaktionerna.

Förutom Mg-40, mätningarna fångade också energierna från upphetsade tillstånd i andra magnesiumisotoper, inklusive Mg-36 och Mg-38.

"De flesta modeller sa att Mg-40 borde se väldigt ut som de lättare isotoperna, ”Sa Crawford.” Men det gjorde det inte. När vi ser något som ser väldigt annorlunda ut, då är utmaningen att nya teorier ska fånga allt detta. "

Eftersom teorierna nu inte håller med vad som sågs i experimenten, nya beräkningar behövs för att förklara vad som förändras i strukturen för Mg-40-kärnor jämfört med Mg-38 och andra isotoper.

Fallon sa att många beräkningar tyder på att Mg-40-kärnor är mycket deformerade, och möjligen fotbollsformad, så de två tillsatta neutronerna i Mg-40 kan surra runt kärnan för att bilda en så kallad halokärna snarare än att införlivas i den form som uppvisas av närliggande magnesiumisotoper.

"Vi spekulerar i en del av fysiken, men detta måste bekräftas med mer detaljerade beräkningar, " han sa.

Crawford sa att ytterligare mätningar och teori fungerar på Mg-40, och att närliggande isotoper kan bidra till att positivt identifiera formen på Mg-40-kärnan, och förklara vad som orsakar förändringen av kärnkraftsstrukturen.

Forskare noterade att kärnfysiken för sällsynta isotopstrålar, en ny DOE Office of Science User Facility som är under uppbyggnad vid Michigan State University, kombinerat med Gamma-Ray Energy Tracking Array (GRETA) som byggs på Berkeley Lab, kommer att möjliggöra ytterligare studier av andra element nära kärndroppsledningen.