Forskare från RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Research och medarbetare har använt centrumets tunga jonaccelerator, RI -strålfabriken, för att visa att nickel-78, en neutronrik "dubbel magisk" isotop av nickel med 28 protoner och 50 neutroner, bibehåller fortfarande en sfärisk form som gör den relativt stabil trots den stora obalansen i antalet protoner och neutroner. De upptäckte också en överraskning-observationer från experimentet tyder på att nickel-78 kan vara den lättaste kärnan med 50 neutroner som har en magisk natur. Lättare isotoner - vilket betyder kärnor med samma antal neutroner men olika antal protoner - skulle oundvikligen deformeras, trots att det har det magiska antalet neutroner.

Att ta tag i giltigheten av de magiska siffrorna i extremt neutronrika kärnor är avgörande för att förstå varför vårt universum har den blandning av kärnor som vi ser idag. Element som är tyngre än järn syntetiseras inte vid normal bränning av stjärnor, men skapas huvudsakligen genom två processer som kallas s-processen och r-processen, som involverar kärnor som fångar extra neutroner. R-processen, där neutroner snabbt absorberas, är särskilt viktigt eftersom det är ansvarigt för skapandet av vissa neutronrika kärnor. Under processen, kärnor ackumulerar neutroner tills de når ett tillstånd där de inte längre kan acceptera dem - detta tillstånd är känt som en väntpunkt - och genomgår sedan en process som kallas betaförfall, där de förlorar en neutron men får en proton, så att de kan börja acceptera nya neutroner. R-processen, som står för ungefär hälften av produktionen av kärnor som är tyngre än järn, kan bara äga rum i extraordinära neutronrika miljöer som supernovaexplosioner och neutronstjärnfusioner som den som observerades 2017.

Den exakta platsen för dessa "väntpunkter" är inte väl förstådd, dock. Komplicerar processen är att magiska antal antingen protoner eller neutroner - motsvarande tanken på slutna elektronskal i kemi - gör kärnorna mer motståndskraftiga mot att fånga ytterligare neutroner. Ett välkänt magiskt tal är 50 neutroner, men det har varit oklart om detta nummer bevaras för extremt neutronrika kärnor.

För att få svar, gruppen bestämde sig för att experimentera med nickel-78, en dubbel magisk isotop som bara nyligen blivit tillgänglig för experiment tack vare kraftfulla acceleratorer som RI Beam Factory i Japan, den som används i denna studie. För att utföra experimentet, publicerad i Natur , forskarna kombinerade observationer från MINOS -detektorn som drivs av CEA i Frankrike och DALI2 -detektorn som drivs av RIKEN, båda belägna inom RIBF -komplexet. De genererade en stråle av uran-238 och använde den för att bombardera ett mål av beryllium, tvingar uranet till klyvning till isotoper som koppar-79 och zink-80-som båda har 50 neutroner.

Dessa två strålar skickades sedan för att träffa ett vätemål, ibland producerar nickel-78, forskningens fokus.

Använda gammastrålningsdetektorer, gruppen visade att nickel-78 är relativt stabilt, enligt beräkningar, bibehålla en sfärisk snarare än deformerad form. Ryo Taniuchi från University of Tokyo och RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science säger, "Vi var glada att kunna visa experimentellt att nickel-78 bibehåller den sfäriska form som beräkningar förutspådde att det skulle. Vi blev förvånade, dock, att upptäcka att kärnan också har en konkurrerande form, som inte är sfärisk, och att någon lättare isoton än den vi använde skulle utsättas för denna deformation och inte skulle behålla dess magiska natur. "

Pieter Doornenbal från Nishina Center säger, "Detta är ett viktigt fynd, eftersom det ger oss nya insikter för hur magiska tal visas och försvinner över kärnlandskapet och påverkar processen för nukleosyntes som ledde till det överflöd av isotoper som vi ser i universum idag. Vi tänker göra ytterligare experiment med ännu lättare isotoner med 50 neutroner för att experimentellt demonstrera detta fynd. "