Nyligen genomförda observationer av den inre strukturen hos den sällsynta isotopen rutenium-88 kastar nytt ljus över den inre strukturen hos atomkärnor, ett genombrott som också skulle kunna leda till ytterligare insikter om hur vissa kemiska grundämnen i naturen och deras isotoper bildas.

Leds av Bo Cederwall, Professor i experimentell kärnfysik vid Kungliga Tekniska Högskolan, ett internationellt forskarlag identifierade nya rotationstillstånd i extremt neutronbrist, deformerad, atomkärnan ⁸⁸ Ru. Resultaten tyder på att strukturen hos detta exotiska kärnsystem är starkt påverkad av närvaron av starkt kopplade neutron-protonpar.

"En sådan struktur skiljer sig fundamentalt från de normala förhållanden som observeras i atomkärnor, där neutroner och protoner interagerar i par i separata system, bildar ett nästan superflytande tillstånd, " säger Cederwall.

Resultaten kan också föreslå alternativa förklaringar till hur produktionen av olika kemiska grundämnen, och i synnerhet deras mest neutronfattiga isotoper, fortsätter i nukleosyntesreaktionerna i vissa stjärnmiljöer som neutronstjärna-röd jätte-binärer, han säger.

Upptäckten, som publicerades den 12 februari i tidskriften, Fysiska granskningsbrev , resultat från ett experiment vid Grand Accelérateur National d'Ions Lourds (GANIL), Frankrike, med Advanced Gamma Tracking Array (AGATA).

Forskarna använde kärnkollisioner för att skapa mycket instabila atomkärnor med lika många neutroner och protoner. Deras struktur studerades med hjälp av känsliga instrument, inklusive AGATA, detektera strålningen de sänder ut i form av högenergifotoner, neutroner, protoner och andra partiklar.

Enligt standardmodellen för partikelfysik som beskriver elementarpartiklarna och deras interaktioner, det finns två allmänna typer av partiklar i naturen; bosoner och fermioner, som har heltals- och halvheltalssnurr, respektive. Exempel på fermioner är fundamentala partiklar som elektronen och elektronneutrino men även sammansatta partiklar som protonen och neutronen och deras grundläggande byggstenar, kvarkarna. Exempel på bosoner är de grundläggande kraftbärarna; fotonen, de mellanliggande vektorbosonerna, gluonerna och gravitonen.

Egenskaperna hos ett system av partiklar skiljer sig avsevärt beroende på om det är baserat på fermioner eller bosoner. Som ett resultat av Pauli-principen om kvantmekanik, i ett system av fermioner (som en atomkärna) kan bara en partikel hålla ett visst kvanttillstånd vid en viss tidpunkt i rum och tid. För att flera fermioner ska visas tillsammans, minst en egenskap hos varje fermion, som dess snurr, måste vara annorlunda. Vid låga temperaturer kan system av många fermioner uppvisa kondensat av parade partiklar som manifesteras som superfluiditet för oladdade partiklar (till exempel, superfluiden 3He), och supraledning för laddade partiklar, såsom elektroner i en supraledare under den kritiska temperaturen. Bosoner, å andra sidan, kan kondensera individuellt med ett obegränsat antal partiklar i samma tillstånd, så kallade Bose-Einstein-kondensat.

I de flesta atomkärnor som är nära linjen för betastabilitet och i deras grundtillstånd, eller upphetsad till en energi som inte är för hög över den, den grundläggande strukturen verkar vara baserad på parkorrelerade kondensat av partiklar med samma isospin kvantnummer men med motsatta spinn. Detta innebär att neutroner och protoner paras separat från varandra. Dessa isovektorparkorrelationer ger upphov till egenskaper som liknar superfluiditet och supraledning. I deformerade kärnor, denna struktur avslöjas till exempel som diskontinuiteter i rotationsfrekvensen när kärnans rotationsexcitationsenergi ökas.

Sådana diskontinuiteter, som upptäcktes redan i början av 1970-talet av KTH professor emeritus Arne Johnson, har märkts "bakåtböjning". Bakåtböjningsfrekvensen är ett mått på energin som krävs för att bryta ett neutron- eller protonpar och reflekterar därför också den energi som frigörs vid bildandet av ett par nukleoner i kärnan. Det finns långvariga teoretiska förutsägelser om att system av neutron-protonpar kan blandas med, eller till och med ersätta, standardisovektorparets korrelationer i exotiska atomkärnor med lika många protoner och neutroner. Kärnstrukturen som härrör från den isoskalära komponenten i sådana parkorrelationer skiljer sig från den som finns i "vanliga" atomkärnor nära stabilitet. Bland olika möjliga experimentella observerbara, bakåtböjningsfrekvensen i deformerade kärnor förutspås öka avsevärt jämfört med kärnor med olika antal neutroner och protoner.

KTH-forskargruppen har tidigare observerat bevis på starka neutron-protonkorrelationer i den sfäriska kärnan 92Pd, som publicerades i tidskriften Natur . Ruteniumisotopen ⁸⁸ Ru, med 44 neutroner och 44 protoner, är deformerad och uppvisar en rotationsliknande struktur som nu har observerats upp till högre spinn, eller rotationsfrekvens, än vad som tidigare varit möjligt. Den nya mätningen ger en annan vinkel på kärnparkorrelationer jämfört med det tidigare arbetet. Genom att bekräfta de teoretiska förutsägelserna om en förskjutning mot högre bakåtböjningsfrekvens ger det kompletterande bevis för förekomsten av starka isoskalära parkorrelationer i de tyngsta kärnsystemen med lika många neutroner och protoner.