Att mäta storleken på atomkärnor har ibland varit användbart för att undersöka aspekter av nukleon-nukleon-interaktion och bulkegenskaperna hos kärnämne. Laddningsradien för atomkärnor, som kan extraheras med laserspektroskopi, är känslig för både kärnämnes bulkegenskaper och särskilt subtila detaljer om interaktionerna mellan protoner och neutroner.

Många nya studier har således undersökt egenskaperna hos kärnor med obalanserade proton-till-neutronförhållanden, känd som exotiska kärnor. Dessa exotiska kärnor har visat sig uppvisa nya fenomen och har därför visat sig vara värdefulla för att testa kärnteori och förbättra den nuvarande förståelsen av kärnkrafter.

Bland annat, att undersöka exotiska kärnor kan hjälpa till att identifiera nya magiska siffror. I detta sammanhang, termen "magiska tal" syftar på antalet protoner eller neutroner som motsvarar helt fyllda skal i dessa kärnor.

En forskargrupp ledd av fysiker vid Instituut voor Kern-en Stralingsfysica, KU Leuven, i Belgien och av Peking University i Kina har nyligen genomfört en studie som undersöker exotiska kaliumisotoper med 32 neutroner, som förutspåddes vara ett magiskt tal. Deras papper, publiceras i Naturfysik , presenterar bevis som utmanar de senaste kärntekniska teorierna.

"Den magiska karaktären hos ett proton- eller neutrontal, bland andra, reflekteras i en mindre storlek av den magiska kärnan, jämfört med sina grannar, "Agota Koszorus, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Det finns flera välkända magiska siffror som 2, 8 20 eller 28, dock i massregionen av kaliumisotoperna, 32 har föreslagits som ett nytt magiskt neutronnummer. Målet med vårt experiment var att mäta laddningsradien för kaliumisotopen som har 33 neutroner och möjliggöra jämförelse av storleken på den föreslagna magin N =32 isotop till dess tändare (N =31) och tyngre ( N =33) grannar."

Att identifiera nya magiska siffror har varit huvudmålet för många nyare studier som undersöker kärnkraftsstrukturer. Studerar neutronrika isotoper som de som undersökts av Koszorus och hennes kollegor, dock, kan vara mycket utmanande, av olika anledningar.

För det första, dessa isotoper kan endast produceras vid radioaktiva jonstråleanläggningar som ISOLDE vid CERN. Dessutom, de har i allmänhet mycket korta halveringstider (t.ex. 110 ms lång i fallet med ⁵² K). Det betyder att när de väl är framtagna har forskarna mycket begränsad tid på sig att förbereda dem för mätningar och att faktiskt undersöka dem. I det specifika fallet med ⁵² K, en ytterligare utmaning var den stora isobariska föroreningen i strålen som producerades vid ISOLDE.

" N =32 är ett föreslaget nytt neutronmagiskt tal i Ca -regionen baserat på kärnmassemätningen och 2 ⁺ energimätning, "Xiaofei Yang, en annan forskare som är involverad i studien, berättade för Phys.org. "Dock, denna magiska effekt har ännu inte bekräftats från kärnmomenten eller radiemätningarna på grund av den begränsade experimentella informationen i Ca-regionen."

Koszorus, Yang och deras kollegor var de första att studera laddningsradier ovan N =32 och detta tillät dem slutligen att avgöra om den "magiska effekten" uppträdde i kärnradierna. Ett ytterligare syfte med deras studie var att undersöka de senaste framstegen i utvecklingen av modeller baserade på kärnkraftsteori.

"Även om jonerna vid ISOLDE-anläggningen massvals innan de levereras till experimentuppsättningarna, det finns en stabil kromisotop med mycket liknande massa, som är riklig i naturen, och i miljön på produktionsplatsen för ISOLDE, " Koszorus förklarade. "Detta innebar att medan varannan 200 ⁵² K isotoper levererades till vår experimentuppställning, 6 miljoner stabila Cr-isotoper levererades också, vilket resulterade i överväldigande bakgrundsfrekvenser. Vi var därför tvungna att modifiera vår inställning för att förlita oss på detektering av beta-partiklar som sänds ut i det radioaktiva sönderfallet av ⁵² K. Stallet Cr kunde därför inte bidra till bakgrunden."

Intressant Koszorus, Yang och deras kollegor hittade inga tecken på magiskt beteende i utvecklingen av kaliumisotopens kärnstorlek över hela världen N =32 neutronnummer. Forskarna jämförde också sina observationer med resultaten av beräkningar baserade på state-of-the-art teoretiska kärntekniska modeller, nämligen den funktionella energidensitetsmetoden (DFT) och teorin om kopplat kluster (CC).

"DFT är en idealisk metod för tyngre kärnor, CC -modellen är mer lämplig för ljus- och medelmassakärnor, ” sade Koszorus. ”Kaliumregionen finnas en compelling mötesplats till testet dessa inriktningar samtidigt. Båda teoretiska metoderna behöver information om de nukleära interaktionerna. För det här syftet, toppmoderna nukleära strukturmodeller användes:DFT-beräkningarna använde mycket framgångsrika Fayans energitäthetsfunktioner och CC-beräkningar använde ab-initio kiral potential."

Forskarna fann att de teoretiska modellerna framgångsrikt förutspådde förändringarna i medelkvadratladdningsradien som de observerade i isotoper under N =28 magiskt tal. Modellerna de testade verkade användbara för modellering av isotoper med oparade protoner och neutroner.

"Från jämförelsen mellan de uppmätta och förutspådda förändringarna i medelkvadratladdningsradien är det tydligt att beräkningarna presterar mycket bra när det gäller att förutsäga den allmänna trenden under N =28 magiskt tal, framgångsrikt anta utmaningen att modellera isotoper med oparade protoner och neutroner, " sa Koszorus. "Vid en närmare titt, dock, det blir uppenbart att de ab initio kopplade klusterberäkningarna misslyckas med att förutsäga den branta ökningen av laddningsradien för de neutronrika isotoperna."

Forskarna antog att problem och inkonsekvenser mellan de kopplade klusterberäkningarna och deras mätningar kunde ha sina rötter i CC-modellens många kroppar. Å andra sidan, medan Fayans DFT-modell förutspådde den allmänna trenden de observerade mycket väl, den överskattade variationen mellan storleken på udda och jämna massa isotoper.

Övergripande, dessa fynd tyder på att befintliga kärnkraftsteorier kan behöva fulländas ytterligare innan de effektivt kan förutsäga magiska tal i exotiska isotoper. Med andra ord, det verkar som om den nuvarande förståelsen av de nukleära egenskaperna och strukturen hos neutronrika isotoper fortfarande är mycket begränsad. I framtiden, metoderna som användes av detta team av forskare skulle kunna användas för att studera andra exotiska isotoper med kort livslängd.

"Berättelsen om de nyligen framväxande magiska siffrorna runt kaliumisotoperna är långt ifrån över, och ett annat magiskt tal föreslogs vid neutronnummer 34, " sade Koszorus. "Studiet av dessa kärnor kräver ännu högre experimentellt effektivt eftersom produktionsutbytet är under 100 joner per sekund. Vi arbetar kontinuerligt med teknisk utveckling för att förbättra vår experimentella uppställning och snart kommer vi att vara redo att tänja på gränserna eller den nuvarande toppmoderna tekniken och testa vår förståelse av kärnstrukturen hos mycket neutronrika isotopkärnor."

Ett nyckelmål för många nutida kärnfysikstudier är att utforska gränserna och egenskaperna hos atomkärnor som styrs av kärnkrafter, för att bättre förstå deras struktur. I sina nästa studier, Koszorus, Yang och deras kollegor planerar också att utveckla allt mer avancerade laserspektroskopitekniker, eftersom dessa skulle kunna användas för att undersöka atomkärnor med större precision och samla in mer tillförlitliga mätningar.

© 2021 Science X Network