Forskare vid Instituut voor Kern- en Stralingsfysica i Belgien och University of Manchester, i samarbete med andra institut över hela världen, har nyligen genomfört en studie som syftar till att mäta storleken på kärnan (dvs. kärnladdningsradie) i neutronrika kopparisotoper. Deras papper, publicerad i Naturfysik , presenterar observationer av ett distinkt och intressant udda-jämnt svindlande mönster i storlekarna på dessa isotopers kärnor.

"Den udda-jämna häpnadsväckande effekten vi observerade, där kärnan med ett udda antal neutroner vanligtvis är något mindre i storlek än sina grannar med jämna neutroner, är mer eller mindre konstant i de flesta isotopiska kedjor, " Ruben Pieter de Groote, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "I koppar, dock, vi märkte en förbättrad udda-jämn stagnation för isotoper med cirka 40 neutroner, som sedan verkade försvinna när man närmade sig 50 neutroner."

Att få en grundlig förståelse för det udda-jämna häpnadsväckande mönstret som observerats av de Groote och hans kollegor är långt ifrån en enkel uppgift, komplicerat ytterligare av det faktum att detta mönster visade sig vara neutronberoende, vilket var något oväntat. För att utforska de möjliga orsakerna bakom effekten de observerade, forskarna utförde en serie banbrytande beräkningar baserade på kärnkraftsteori och jämförde sedan resultaten av dessa beräkningar med de experimentella data som de samlat in.

"Den svåraste isotopen att utföra mätningar för, ⁷⁸ Cu, har 29 protoner och 49 neutroner, vilket gör det till en mycket komplicerad kärna att studera, både experimentellt och beräkningsmässigt, " sa de Groote. "Men, vi ansåg att vårt experimentella resultat var tillräckligt viktigt för att övertyga två teorisamarbetare att följa två ganska olika teoretiska metoder, den ena baserad på densitetsfunktioner och den andra baserad på metoden för valens-utrymme i-medium likhetsrenormaliseringsgrupp, som presenterar en 'ab-initio'-beskrivning för medeltunga kärnor."

De två teoretiska tillvägagångssätt som forskarna använde i sin studie visade sig vara användbara för att förklara olika aspekter av mätningarna de samlade in. Medan beräkningar baserade på densitetsfunktionella teorin förutspådde bulkegenskaper (t.ex. de totala kärnkraftsstorlekarna) med anmärkningsvärt hög noggrannhet, metoden med rötter i teorin om valensrymd i medelhög likhetsrenormaliseringsgrupp gav en detaljerad beskrivning av den allmänna trenden för den udda-jämna häpnadsväckande effekten, eftersom det tog hänsyn till ytterligare korrelationer.

"Våra beräkningar visade att båda teorierna innehåller viktiga ingredienser för att beskriva nukleär struktur, men att det fortfarande finns arbete att göra – vi har fortfarande inte ett enda tillvägagångssätt som kan göra allt, " förklarade de Groote.

I deras senaste studie, forskarna fokuserade på kopparisotoper med mycket kort livslängd. Till exempel, livslängden för ⁷⁸ Cu, en av de isotoper som undersöktes i deras arbete, är på 300 millisekunder, vilket innebär att en sekund efter att den har producerats kommer isotopen med största sannolikhet redan att ha försvunnit. De var alltså tvungna att använda tekniker som gjorde det möjligt för dem att producera och undersöka isotoper mycket snabbt, innan de förföll.

"Vad som är mycket viktigt när man studerar radioaktiva isotoper är att metoderna är snabba och effektiva - det finns ingen tid att samla in ett stort urval av isotoper, för att sedan tyst studera dem senare, " sa de Groote. "Mätningar måste utföras 'on-line'; våra mätverktyg och detektorer måste kopplas till produktionsplatsen och fungera i perfekt synkronicitet."

De Groote och hans kollegor använde en partikelaccelerator känd som CERN PS-Booster, som kan producera protoner med mycket hög energi. Dessa protoner riktades till ISOLDE-anläggningen i CERN, där de träffade en bit uran, inducerar en mängd olika kärnreaktioner.

Kärnreaktionerna som blev resultatet av denna process ledde till produktionen av isotoper över hela spektrumet, allt från lätta heliumatomer till mycket tunga grundämnen, såsom radium. Kopparisotoperna som forskarna ville studera var bland dessa, men de måste utvinnas från det stora utbudet av isotoper och renas.

"Uranet värmdes upp till cirka 2000 grader Celsius av ISOLDE-teamet, så att dessa nyproducerade isotoper inte fastnade, men istället rymde in i en jonkälla:här, de förvandlades till laddade joner, " förklarade de Groote. "Detta är ett avgörande steg, eftersom det tillåter oss att använda elektrostatiska och magnetiska tekniker för att accelerera alla isotoper, välj de av intresse, och vägleda dem till olika mätinställningar på ISOLDE-anläggningen."

För att mäta storleken på kopparisotoperna, forskarna belyste dem med två separata laserstrålar. Genom att justera frekvensen för den första lasern på exakt rätt sätt, de kunde excitera en elektron som är bunden till kärnan. Den andra laserstrålen användes sedan för att "skala" bort denna exciterade elektron.

"Genom att mäta antalet laddade partiklar som skapades när vi ändrade laserns frekvens, vi kunde bestämma den exakta absorptionsenergin för kopparatomerna, " sade de Groote. "Denna absorptionsenergi är direkt relaterad till de nukleära storlekarna; skiftet i energi kallas isotopskiftet – en liten färgförändring på så lite som 1 del på en miljon; inget som ögat kunde se, men något som vårt system är känsligt för."

Mättekniken som används av de Groote och hans kollegor, känd som kollinär resonansjoniseringsspektroskopi, är ett mycket effektivt och exakt verktyg för att mäta förändringar i energi i atomer. Deras experimentupplägg är mycket sofistikerat, och den förlitar sig på alla dess olika komponenter (dvs. en stor partikelaccelerator, ultrastabila lasersystem, laserfrekvensmätverktyg med hög precision, jonfällor, ultrahögvakuumpumpar och högspänningsaggregat, etc.) att verka i symfoni.

I deras studie, forskarna använde den för att identifiera "isotopskiften" i 14 olika kopparisotoper. Genom att mäta dessa förskjutningar kunde de i slutändan bestämma förändringar i deras storlek, som en funktion av antalet neutroner i deras kärna.

"Den mest utmanande isotopen producerades bara med en hastighet av 20 joner per sekund, och totalt bara cirka 200, 000 joner användes för att utföra mätningen, " sa de Groote. "Den totala massan av detta prov, om du kunde samla allt innan det radioaktivt sönderföll, skulle vara 0,00000000003 mikrogram – jämfört med typiska objekt vi är vana vid att interagera med, det här är en otroligt liten mängd grejer."

Tekniken som används av de Groote och hans kollegor gör det möjligt för forskare att studera isotoper som för närvarande bara kan produceras i små kvantiteter och som också är mycket effektivare än andra högprecisionsmätverktyg som utvecklats tidigare. I framtiden, deras metod kan ha ett antal viktiga implikationer för forskning om kärnkraftsstrukturer, eftersom många intressanta isotoper är instabila och därför bara kan produceras i små mängder.

"Våra resultat visar att många av dessa kärnor nu kan studeras, ", säger de Groote. "Ytterligare förbättringar av vår metod kommer att pressa den gränsen ännu längre. Särskilt, vår teknik gör att vi nu kan närma oss kärnor som förutspås produceras i super- och kilonovaer och som ännu inte har studerats på jorden i laboratoriet. Liknande, de teoretiska verktygen som utvecklades representerar stora milstolpar inom kärnkraftsteorin också."

Förutom att introducera en ny teknik för att mäta storleken på kärnor i isotoper med kort livslängd, de Groote och hans kollegor bevisade effektiviteten av teoretiska konstruktioner baserade på densitetsfunktioner och valens-rymden i medium likhetsrenormaliseringsgruppmetoden för studier som utforskar strukturen hos isotoper med instabila kärnor. Deras studie kastar lite ljus över fördelarna och nackdelarna med dessa teoretiska ramverk, som skulle kunna utforskas ytterligare i framtida studier.

"För denna studie, vi plockade koppar, eftersom den har 29 protoner, " de Groote. "Detta gör dessa isotoper perfekta sonder för att undersöka den underliggande nickelkärnan (28 protoner). ⁷⁸ Ni (28 protoner, 50 neutroner) tros vara en dubbelt magisk kärna. Det finns bara väldigt få av dessa dubbelmagi, slutna skalsystem, och de utgör hörnstenar för forskning om kärnkraft, som ädelgaserna för atomfysik."

De Groote och hans kollegor arbetar för närvarande med en ny studie med fokus på neutronrika kaliumisotoper, som har 19 protoner och är således utmärkta sonder av magiska kalciumisotoper (dvs med 20 protoner). De har redan utfört inledande beräkningar av dessa isotopers laddningsradier och planerar nu att undersöka dessa resultat mer på djupet.

"På längre sikt, en mätkampanj på indium- och tennisotoper, nära dubbelmagin ¹⁰⁰ Sn och ¹³² Sn isotoper, redan påbörjats, och kommer att fortsätta under de kommande åren, " säger de Groote. "Dessa isotoper är på den nuvarande gränsen för kärntekniska teorier; experimentella och teoretiska ansträngningar fortskrider således bra i tandem."

De Groote och hans kollegor har också börjat använda samma experimentella metod som introducerades i deras senaste artikel för att studera radioaktiva molekyler. Till exempel, de avslutade nyligen den allra första spektroskopiska studien av radiumfluorid, en molekyl som innehåller en radioaktiv radiumatom.

"Eftersom det inte finns några stabila radiumisotoper, denna molekyl kunde aldrig studeras förut, " förklarade de Groote. "Det här är särskilt spännande, eftersom det kan vara nyckeln till nästa generations forskning för fysik bortom standardmodellen."

© 2020 Science X Network