En upptäckt av ett team av forskare under ledning av UMass Lowells kärnfysiker kan förändra hur atomer förstås av forskare och hjälpa till att förklara extrema fenomen i yttre rymden.

Forskarnas genombrott visade att en symmetri som finns inom atomkärnan inte är så grundläggande som forskare har trott. Upptäckten belyser krafterna som arbetar inom atomkärnan, öppnar dörren till en större förståelse av universum. Resultaten publicerades idag i Natur , en av världens främsta vetenskapliga tidskrifter.

Upptäckten gjordes när UMass Lowell-ledda teamet arbetade med att bestämma hur atomkärnor skapas i röntgenstrålar-explosioner som händer på ytan av neutronstjärnor, som är resterna av massiva stjärnor i slutet av sitt liv.

"Vi studerar vad som händer inuti kärnorna i dessa atomer för att bättre förstå dessa kosmiska fenomen och, i sista hand, att besvara en av de största frågorna inom vetenskapen - hur de kemiska grundämnena skapas i universum, "sa Andrew Rogers, UMass Lowell biträdande professor i fysik, som leder forskargruppen.

Forskningen stöds av ett bidrag från US Department of Energy till UMass Lowell och genomfördes vid National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) vid Michigan State University. På labbet, forskare skapar exotiska atomkärnor för att mäta deras egenskaper för att förstå deras roll som byggstenar i materia, kosmos och själva livet.

Atomer är några av de minsta enheterna av materia. Varje atom innehåller elektroner som kretsar runt en liten kärna djupt inne i kärnan, som innehåller nästan all sin massa och energi. Atomkärnor består av två nästan identiska partiklar:laddade protoner och oladdade neutroner. Antalet protoner i en kärna avgör vilket element atomen tillhör på det periodiska bordet och därmed dess kemi. Isotoper av ett element har samma antal protoner men ett annat antal neutroner.

På NSCL, kärnor accelererades till nära ljusets hastighet och krossades isär i fragment som skapade strontium-73-en sällsynt isotop som inte finns naturligt på jorden men kan existera under korta perioder under våldsamma termonukleära röntgenstrålar på ytan av neutronstjärnor . Denna isotop av strontium innehåller 38 protoner och 35 neutroner och lever bara för en bråkdel av en sekund.

Arbetar dygnet runt i åtta dagar, laget skapade mer än 400 strontium-73-kärnor och jämförde dem med de kända egenskaperna hos brom-73, en isotop som innehåller 35 protoner och 38 neutroner. Med utbytt antal protoner och neutroner, brom-73-kärnor anses vara "spegelpartners" till strontium-73-kärnor. Spegelsymmetri i kärnor finns på grund av likheterna mellan protoner och neutroner och ligger till grund för forskarnas förståelse av kärnfysik.

Ungefär var halvtimme, forskarna skapade en strontium-73-kärna, transporterade den genom NSCL:s isotopseparator och tog sedan kärnan till ett stopp i mitten av en komplex detektormatris där de kunde observera dess beteende. Genom att studera det radioaktiva sönderfallet av dessa kärnor, forskarna fann att strontium-73 uppträdde helt annorlunda än brom-73. Upptäckten väcker nya frågor om kärnvapenstyrkor, enligt Rogers.

"Strontium-73 och brom-73 bör verka identiska i strukturen, men överraskande inte, vi hittade. Att undersöka symmetrier som finns i naturen är ett mycket kraftfullt verktyg för fysiker. När symmetrier bryts ner, som säger att något är fel i vår förståelse, och vi måste titta närmare, "Sa Rogers.

Vad forskarna såg kommer att utmana kärnteorin, enligt Daniel Hoff, en UMass Lowell forskningsassistent som var huvudförfattare till artikeln publicerad i Natur .

"Att jämföra strontium-73 och brom-73-kärnor var som att titta i en spegel och inte känna igen sig själv. När vi väl övertygade oss själva om att det vi såg var verkligt, vi var väldigt glada, "Sa Hoff.

Tillsammans med Rogers, bosatt i Somerville, och Hoff av Medford, i UMass Lowell -teamet ingår fysikavdelningens fakultetsmedlemmar Assistent Prof. Peter Bender, Emeritus professor C.J. Lister och tidigare UMass Lowell forskningsassistent Chris Morse. Fysik doktorander Emery Doucet of Mason, N.H., och Sanjanee Waniganeththi från Lowell bidrog också till projektet.

Som en del av teamets studie, toppmoderna teoretiska beräkningar utfördes av Simin Wang, en forskningsassistent vid Michigan State, och regisserad av Witold Nazarewicz, MSU:s John A. Hannah Distinguished Professor in Physics och chefsvetare vid Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), som öppnar nästa år.

Forskarnas arbete "ger unika insikter om strukturen hos sällsynta isotoper, "Sade Nazarewicz." Men mycket återstår att göra. Nya faciliteter kommer online, som FRIB vid MSU, kommer att ge saknade ledtrådar till en djupare förståelse av spegelsymmetripusslet. Jag är glad att de exotiska strålarna som levereras av vår anläggning, unik instrumentering och teoretiska beräkningar kan bidra till detta magnifika verk. "

Planer för fler experiment pågår redan, när forskarna försöker förfina och bekräfta sina observationer och studera dessa isotoper vidare.