IFJ PAN-forskare tillsammans med kollegor från universitetet i Milano (Italien) och andra länder bekräftade behovet av att inkludera tre-nukleoninteraktionerna i beskrivningen av elektromagnetiska övergångar i ²⁰ O atomkärna. Avgörande för att validera de moderna teoretiska beräkningarna av kärnstrukturen var tillämpningen av toppmoderna gammastrålningsdetektorsystem och den nyutvecklade tekniken för mätningar av femtosekundlivslängder i exotiska kärnor som produceras i tung-jon djup-oelastiska reaktioner.

Atomkärnor består av nukleoner - protoner och neutroner. Protoner och neutroner är system av kvarkar och gluoner som hålls samman av starka nukleära interaktioner. Fysiken för kvarkar och gluoner beskrivs av kvantkromodynamik (QCD), så vi kunde förvänta oss att egenskaperna hos kärnkrafter också skulle bli resultatet av denna teori. Tyvärr, trots många försök, att fastställa egenskaperna hos starka interaktioner baserat på QCD står inför enorma beräkningssvårigheter. Dock, relativt mycket är känt om kärnkrafternas egenskaper — denna kunskap är baserad på många års experiment. Teoretiska modeller utvecklades också som kan reproducera de grundläggande egenskaperna hos krafter som verkar mellan ett par nukleoner – de använder sig av de så kallade effektiva nukleon-nukleon-interaktionspotentialerna.

Att känna till detaljerna i interaktionen mellan två nukleoner, vi förväntar oss att beskrivningen av strukturen för någon atomkärna inte kommer att vara ett problem. Förvånande, det visar sig att när en tredje nukleon läggs till tvånukleonsystemet, attraktionen mellan de två initiala nukleonerna ökar. Vad som följer, styrkan av interaktionen mellan komponenterna i varje nukleonpar i trekroppssystemet ökar – en ytterligare kraft dyker upp som inte verkar existera i fallet med ett isolerat par. Detta förbryllande bidrag kallas den irreducible tre-nukleonkraften.

Denna situation visade sig vara en inspiration för forskarna från Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin och deras kollegor från universitetet i Milano. De insåg att ett perfekt test för närvaron av tre-nukleoninteraktioner i kärnor kunde vara att bestämma livslängden för utvalda exciterade tillstånd i neutronrika syre- och kolisotoper. Som ett resultat av detaljerade analyser, konceptet med ett experiment föddes, vars koordinatorer blev prof. Silvia Leoni från universitetet i Milano och dr. Michal Ciemala och prof. Bogdan Fornal från IFJ PAN. Forskare som arbetar vid det franska GANIL-laboratoriet i Caen och andra forskningsinstitutioner från hela världen bjöds också in att samarbeta i detta projekt.

"Experimentet fokuserade på att bestämma livslängden för exciterade kärntillstånd för neutronrika kol- och syreisotoper, ¹⁶ C och ²⁰ O, " förklarar prof. Fornal. "I dessa kärnor, de upphetsade tillstånden dyker upp, som tycks vara särskilt känsliga för inkluderingen i beräkningarna av trekroppsinteraktionen (nukleon-nukleon-nukleon—NNN) utöver tvåkroppskärninteraktionen (nukleon-nukleon—NN). I fallet med ²⁰ O kärna, livslängden för det andra exciterade tillståndet 2+, beräknas endast för NN-interaktionen, bör vara 320 femtosekunder, samtidigt som man tar hänsyn till NN- och NNN-interaktionerna, beräkningarna ger resultatet 200 femtosekunder. För det andra tillståndets livstid 2+ tum ¹⁶ C, skillnaden är ännu större:370 femtosekunder (NN) mot 80 femtosekunder (NN + NNN)."

Experimentet för att mäta livstiderna utfördes vid GANIL forskningscenter i Caen, Frankrike. Forskare använde gammastrålningsdetektorer (AGATA och PARIS) kopplade till en magnetisk spektrometer (VAMOS). Reaktionen av en 18O-stråle med ett 181Ta-mål genererade exciterade atomkärnor av element som B, C, N, O och F som ett resultat av djup oelastisk spridning eller nukleonöverföringsprocesser. I de undersökta rörliga kärnorna, de exciterade kvanttillstånden avklingade av emission av högenergifotoner, vars energi skiftades jämfört med energin för övergångar i viloramen. Denna förskjutning beror på hastigheten hos den fotonemitterande kärnan och emissionsvinkeln. Detta fenomen beskrivs av den relativistiska Dopplerformeln.

För livstider på kärnnivå som är kortare än flygtiden för den exciterade kärnan genom målet (cirka 300 femtosekunder), gammakvantutsläpp sker mest när kärnan fortfarande är i målet. I det beskrivna fallet mätte forskare kärnhastigheten efter att den passerat genom målet. Genom att använda denna hastighet för att korrigera spektrumet av gammastrålningsenergi, erhållna spektrallinjer har formen som motsvarar den Gaussiska fördelningen för fall där livslängden för det exciterade tillståndet är lång. För livstid från 100 till 200 femtosekunder visar spektrallinjer en asymmetrisk komponent och för livstid mindre än 100 femtosekunder är de helt förskjutna till mindre energier.

"För att bestämma livslängden, vi genomförde simuleringar och jämförde deras resultat med det uppmätta spektrumet av gammastrålningsenergi, " säger Dr Ciemala, författaren till konceptet att mäta kärntillståndsförfallstid som användes i experimentet. "I dessa studier, metoden som beskrivits ovan användes för första gången för att bestämma livslängden för exciterade tillstånd i kärnor producerade i djupa oelastiska reaktioner. Det krävde utvecklingen av avancerade Monte Carlo-simuleringskoder som inkluderade reaktionskinematik och reproducerade de uppmätta hastighetsfördelningarna för reaktionsprodukter. Metoden som används, i samband med de tillämpade detektionssystemen, gav mycket tillfredsställande resultat."

Den beskrivna forskningen gjorde det för första gången möjligt för forskare att mäta livslängden för tiotals och hundratals femtosekunder av ett kärntillstånd skapat i en djup-oelastisk reaktion - i det beskrivna fallet var det det andra tillståndet 2+ i ²⁰ O-kärna för vilken en livslängd på 150 femtosekunder erhölls. Giltigheten av den nya metoden demonstrerades genom att bestämma livstiderna för de exciterade tillstånden i ¹⁹ O kärna som helt överensstämde med litteraturdata. Det måste betonas att livslängden för det andra 2+-tillståndet i ²⁰ O, erhållits i detta arbete, stämmer överens med de teoretiska förutsägelserna endast om två- och trekroppsinteraktioner beaktas samtidigt. Detta leder till slutsatsen att de mätstorheter som tillhandahålls av elektromagnetiska övergångar och som erhålls med hjälp av exakt gammaspektroskopi kan vara mycket bra sonder för att bedöma kvaliteten på ab initio-beräkningar av kärnstrukturen.

"Denna utvecklade banbrytande procedur kommer att hjälpa oss att mäta livslängden för exciterade tillstånd för mycket exotiska kärnor långt från stabilitetsdalen, som kan skapas i djupa oelastiska reaktioner med högintensiva radioaktiva strålar, som snart är tillgänglig, till exempel, på INFN Laboratori Nazionali di Legnaro nära Padua i Italien, ", hävdar Prof. Fornal. "Den erhållna informationen kommer att vara väsentlig för kärnastrofysik och säkerligen bidra till framstegen när det gäller att förstå bildandet av atomkärnor i den snabba neutronfångstprocessen i supernovaexplosioner eller sammanslagning av neutronstjärnor som nyligen har observerats genom att mäta gravitationsvågor tillsammans med gammastrålning."