Arbetet öppnar en väg till exakta beräkningar av strukturen hos andra kärnor.

I en studie som kombinerar experimentellt arbete och teoretiska beräkningar som möjliggjorts av superdatorer, forskare har bestämt kärnkraftsgeometrin för två isotoper av bor. Resultatet kan hjälpa till att öppna en väg till exakta beräkningar av strukturen hos andra kärnor som forskare experimentellt kunde validera.

Forskare vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, i samarbete med forskare i Tyskland och Polen, bestämde skillnaden i en mängd som kallas kärnladdningsradien mellan bor-10 och bor-11. Kärnladdningsradien anger storleken på en atomkärna - som ofta har relativt otydliga kanter.

Kärnladdningsradier är svåra att beräkna med hög precision för atomer som är mycket större än bor på grund av det stora antalet neutroner och protoner vars egenskaper och interaktioner måste härledas från kvantmekanik.

Kärnteori bygger på kvantkromodynamik (QCD), en uppsättning fysiska regler som gäller för kvarker och gluoner som komponerar protoner och neutroner i kärnan. Men att försöka lösa kärnkraftsdynamiken med QCD ensam skulle vara en nästan omöjlig uppgift på grund av dess komplexitet, och forskare måste lita på åtminstone några förenklade antaganden.

Eftersom bor är relativt lätt - med bara fem protoner och en handfull neutroner - kunde teamet framgångsrikt modellera de två borisotoperna på Mira -superdatorn och studera dem experimentellt med hjälp av laserspektroskopi. Mira är en del av Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), en DOE Office of Science User Facility.

"Detta är en av de mest komplicerade atomkärnorna för vilka det är möjligt att komma fram till dessa exakta mätningar experimentellt och härleda dem teoretiskt, "sade Argonne kärnfysiker Peter Mueller, som hjälpte till att leda studien.

Tittar på hur kärnkonfigurationerna för bor-11 ( ¹¹ B) och bor-10 ( ¹⁰ B) skilde sig från att göra bestämningar på utomordentligt små längder:mindre än en femtometer-en kvadriljarddel av en meter. I ett kontraintuitivt fynd, forskarna bestämde att de 11 nukleonerna i bor-11 faktiskt upptar en mindre volym än de 10 nukleonerna i bor-10.

För att experimentellt titta på borisotoperna, forskare vid universitetet i Darmstadt utförde laserspektroskopi på prover av isotoperna, som fluorescerar vid olika frekvenser. Medan största delen av skillnaden i fluorescensmönstren orsakas av skillnaden i massan mellan isotoperna, det finns en komponent i mätningen som återspeglar kärnans storlek, förklarade Argonne -fysikern Robert Wiringa.

För att separera dessa komponenter, medarbetare från universitetet i Warszawa och Adam Mickiewicz-universitetet i Poznan genomförde toppmoderna atomteoriberäkningar som exakt beskriver den komplicerade dansen hos de fem elektronerna runt kärnan i boratomen.

"Tidigare elektronspridningsexperiment kunde inte riktigt säga säkert vilket som var större, "Sa Wiringa." Genom att använda denna laserspektroskopiteknik, Vi kan säkert se hur den extra neutronen binder bor-11 närmare. "

Den goda överensstämmelsen mellan experiment och teori för kärnans dimensioner gör det möjligt för forskare att bestämma andra egenskaper hos en isotop, till exempel dess betaförfallshastighet, med högre självförtroende. "Möjligheten att utföra beräkningar och göra experiment går hand i hand för att validera och förstärka våra resultat, "Sa Mueller.

Nästa steg i forskningen kommer sannolikt att innebära studier av bor-8, som är instabil och bara har en halveringstid på ungefär en sekund innan den försvinner. Eftersom det finns färre neutroner i kärnan, den är mycket mindre tätt bunden än sina stabila grannar och antas ha en utökad laddningsradie, Sa Mueller. "Det finns en förutsägelse, men bara experimentet kommer att berätta hur väl det faktiskt modellerar detta löst bundna system, " han förklarade.

En artikel baserad på forskningen, "Nuclear Charge Radii of 10, 11B, "visas i 10 maj -numret av Fysiska granskningsbrev .