Det är inte ofta inom kärnfysiken som du tydligt kan få båda sidor av historien, men ett nyligen genomfört experiment gjorde det möjligt för forskare att göra just det. De jämförde mycket liknande kärnor med varandra för att få en tydligare bild av hur komponenterna i kärnor är arrangerade och fann att det finns mer att lära om materiens hjärta. Forskningen, utförd vid Department of Energy's Thomas Jefferson National Accelerator Facility, publicerades nyligen som en redaktörs föreslagna inläsning Fysiska granskningsbrev .

"Vi vill studera kärnkraftsstrukturen, vilket är i princip hur protoner och neutroner beter sig inuti en kärna, "förklarar Reynier Cruz-Torres, en postdoktor vid DOE:s Lawrence Berkeley National Lab som arbetade på experimentet som doktorand vid Massachusetts Institute of Technology. "Att göra det, vi kan mäta vilken kärna som helst. Men för att göra ett högprecisionstest av kärnteori, vi är begränsade till ljuskärnor som har precisionsberäkningar. Att mäta dessa ljuskärnor är ett riktmärke för att förstå kärnkraftsstrukturen i allmänhet. "

För denna mätning, forskarna fokuserade på två av de enklaste och lättaste kärnorna i universum:helium och väte. De fokuserade på en isotop av helium som kallas helium-3, så kallad eftersom den bara innehåller tre huvudkomponenter:två protoner och en neutron. Isotopen av väte som de testade, tritium, består också av tre komponenter:en proton och två neutroner.

"De är spegelkärnor. Så, du kan anta att protonerna i helium-3 i princip är desamma som neutronerna i tritium och vice versa, "säger Florian Hauenstein, en gemensam postdoktor vid Old Dominion University och MIT.

Enligt forskarna, genom att jämföra dessa relativt enkla kärnor, de kan få ett fönster till de starka kärnkraftsinteraktioner som inte kan kopieras någon annanstans. Det beror på att som några av de lättaste och minst komplicerade av kärnorna i universum, dessa kärnor är utmärkta exempel för att jämföra med de senaste teorierna som beskriver de grundläggande strukturerna för olika kärnor.

"Teoriräkningarna har funnits där ett tag, men vi visste inte hur bra de är, "förklarar Dien Nguyen, en postdoktor vid MIT och tillträdande Nathan Isgur Fellow i Nuclear Experiment på Jefferson Lab. "Så, med denna forskning, vi kan kvantitativt säga hur bra beräkningen är. Jag tycker att det är ett riktigt viktigt steg. "

För att göra jämförelsen, forskarna mätte båda kärnorna i experiment med hög precision i Continuous Electronic Beam Accelerator Facility (CEBAF), en DOE -användarfacilitet baserad på Jefferson Lab.

Elektroner från CEBAF riktades mot kärnorna i tritium och helium-3, där vissa interagerade med kärnornas protoner. De slagna protonerna och de interagerande elektronerna fångades och mättes sedan i stora detektorer som kallas spektrometrar i Jefferson Labs experimenthall A.

"Vi använder spektrometrarna för att studera egenskaperna hos de slutliga tillståndspartiklarna och ser tillbaka till kärnan och försöker förstå vad som hände inuti kärnan innan reaktionen ägde rum, säger Cruz-Torres.

Detta experiment var utmanande och banbrytande genom att det genomfördes på ett bredare spektrum av energier med oöverträffad precision. Dessutom, tritiumdata är de allra första någonsin för dessa som studerar dessa reaktioner.

Forskarna jämförde sedan hela dataområdet från experimenten med teoretiska beräkningar av strukturerna för kärnorna i helium-3 och tritium. De fann att data i allmänhet matchade teori väl för båda kärnorna till den precision som tillåts genom experiment, en bragd som beskrevs av en forskare som en triumf av dagens kärnfysik. Dock, skillnader observerades också i förhållande till några av beräkningarna, vilket indikerar att ytterligare förbättringar i de teoretiska behandlingarna krävs.

"Vi förväntade oss att helium-3-beräkningarna i slutet lätt skulle matcha data, men det visade sig faktiskt att tritiumtvärsnittet passade mycket bra till teoriräkningen, och helium-3 inte så mycket genom hela sortimentet. Så, vi måste gå tillbaka och titta på helium-3, "förklarar Hauenstein.

Dien bekräftar att detta oväntade resultat nu är drivkraften för att fortsätta dessa högprecisionsstudier av ljuskärnor på allvar.

"Innan, vi tyckte att vi hade en mycket god förståelse för beräkningarna, "säger Nguyen." Men nu, resultatet är det som driver oss att göra en ännu mer detaljerad mätning, för att vi vill se till att vi har en bra överensstämmelse med teorin. "