En ny studie vid ISOLDE hittar ingen signatur på ett "magiskt" antal neutroner i kalium-51, utmanar den föreslagna magiska naturen hos kärnor med 32 neutroner.

Magin verkar ebba ut från vissa atomkärnor. De senaste mätningarna av storlekarna på kaliumkärnor rika på neutroner visar ingen signatur på ett "magiskt" antal neutroner i kalium-51, som har 19 protoner och 32 neutroner. Resultatet, erhållits av ett team av forskare som använder CERNs kärnfysikanläggning ISOLDE och beskrivs i en artikel som just publicerats i Naturfysik , utmanar kärnfysikteorier och den föreslagna magiska karaktären hos kärnor med 32 neutroner.

Protoner och neutroner tros var och en uppta en serie skal av olika energi inom en atomkärna, precis som elektroner i en atom fyller upp en serie skal runt kärnan. I denna kärnvapenskalmodell, kärnor i vilka protoner eller neutroner bildar kompletta skal, utan utrymme kvar för ytterligare partiklar, kallas "magi" eftersom de är starkare bundna och stabila än sina kärnkraftsgrannar. Antalet protoner eller neutroner i sådana kärnor kallas magiska tal, och är hörnstenar på vilka fysiker bygger sin förståelse av kärnor.

Tidigare studier indikerade att kärnor med exakt eller nära 20 protoner och med 32 neutroner är magi på basis av den energi som krävs för att ta bort ett par neutroner från kärnan eller för att ta kärnan till en högre energinivå. Dock, mätningar av hur (laddnings)radien för neutronrika kalium- och kalciumkärnor förändras när neutroner läggs till dem har utmanat denna indikation, eftersom de inte visade en plötslig relativ minskning av radierna för kalium-51 och kalcium-52, som båda har 32 neutroner. En sådan minskning, i förhållande till kärnkraftsgrannar med färre neutroner, skulle indikera att 32 är ett magiskt neutrontal och att kärnor med 32 neutroner är magiska.

Ett magiskt neutrontal på 32 kan också avslöjas av en plötslig relativ ökning av radierna för kärnor som har en neutron till, det är 33 neutroner. Detta är precis vad teamet bakom den senaste ISOLDE-studien tänkte undersöka. Genom att förena två tekniker, ISOLDE-forskarna kunde göra radiemätningar av neutronrika kaliumkärnor och utöka dem till kalium-52, som har 33 neutroner. De två teknikerna är en typ av laserspektroskopi som kallas kolinjär resonansjoniseringsspektroskopi (CRIS), som gör att neutronrika kärnor kan studeras med hög precision, och β-sönderfallsdetektering, som involverar detektering av beta-partiklar (elektroner eller positroner) som emitteras från kärnorna.

De nya ISOLDE-mätningarna visade ingen plötslig relativ ökning av radien för kalium-52, och därmed ingen signatur för "magicitet" vid neutronnummer 32.

Forskarna fortsatte med att modellera data med toppmoderna kärntekniska teorier, finner att data utmanar dessa teorier. "De bästa kärnfysikmodellerna på marknaden kan inte reproducera data på ett tillfredsställande sätt, " säger huvudförfattaren till tidningen Agi Koszorus. "Om de får en funktion av data rätt, de saknar resten totalt, " lade medförfattaren Xiaofei Yang till.

"Denna studie belyser vår begränsade förståelse av neutronrika kärnor, " säger medförfattaren Thomas Cocolios. "Ju mer vi studerar dessa exotiska kärnor, desto mer inser vi att modellerna misslyckas med att reproducera de experimentella resultaten. Det är som att ha en karta full av motorvägar, men så fort du tar en väg från dessa motorvägar, du kan lika gärna gå på månen för allt vi vet."

"Detta resultat visar hur mycket arbete som återstår för oss att förstå atomkärnan - förmodligen fysikens minst förstådda område, avslutar Cocolios.