Fysiker vid MIT och på andra håll spränger jonstrålar vid protonmoln - som att kasta kärnpilar med ljusets hastighet - för att kartlägga strukturen i en atomkärna.

Experimentet är en inversion av de vanliga partikelacceleratorerna, som slänger elektroner mot atomkärnor för att undersöka deras strukturer. Teamet använde denna "invers kinematik" -metod för att sålla bort det röriga, kvantmekaniska influenser i en kärna, för att ge en tydlig bild av en kärns protoner och neutroner, samt dess kortdistans korrelerade (SRC) par. Det här är par av protoner eller neutroner som kort binder för att bilda supertäta droppar av kärnämne och som tros dominera de ultradensa miljöerna i neutronstjärnor.

Resultaten, publicerad idag i Naturfysik , visa att invers kinematik kan användas för att karakterisera strukturen hos mer instabila kärnor - viktiga ingredienser som forskare kan använda för att förstå dynamiken i neutronstjärnor och de processer genom vilka de genererar tunga element.

"Vi har öppnat dörren för att studera SRC -par, inte bara i stabila kärnor utan också i neutronrika kärnor som är mycket rikliga i miljöer som neutronstjärnfusioner, "säger studiens medförfattare Or Hen, biträdande professor i fysik vid MIT. "Det får oss närmare att förstå sådana exotiska astrofysiska fenomen."

Henns medförfattare inkluderar Jullian Kahlbow och Efrain Segarra från MIT, Eli Piasetzky från Tel-Aviv University, och forskare från tekniska universitetet i Darmstadt, Joint Institute for Nuclear Research (JINR) i Ryssland, franska alternativa energi- och atomenergikommissionen (CEA), och GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research i Tyskland.

En omvänd accelerator

Partikelacceleratorer undersöker vanligtvis kärnkraftsstrukturer genom elektronspridning, i vilken elektroner med hög energi strålar vid ett stationärt moln av målkärnor. När en elektron träffar en kärna, det slår ut protoner och neutroner, och elektronen tappar energi i processen. Forskare mäter elektronstrålens energi före och efter denna interaktion för att beräkna de ursprungliga energierna för protonerna och neutronerna som sparkades bort.

Medan elektronspridning är ett exakt sätt att rekonstruera en kärns struktur, det är också ett hasardspel. Sannolikheten för att en elektron kommer att träffa en kärna är relativt låg, med tanke på att en enda elektron är försvinnande liten i jämförelse med en hel kärna. För att öka denna sannolikhet, strålar laddas med allt högre elektrontäthet.

Forskare använder också strålar av protoner istället för elektroner för att sondera kärnor, eftersom protoner är jämförbart större och mer benägna att nå sitt mål. Men protoner är också mer komplexa, och gjorda av kvarker och gluoner, vars interaktioner kan leriga den slutliga tolkningen av själva kärnan.

För att få en tydligare bild, fysiker under de senaste åren har inverterat det traditionella upplägget:Genom att rikta en stråle av kärnor, eller joner, vid ett mål för protoner, forskare kan inte bara direkt mäta utslagna protoner och neutroner, men jämför också den ursprungliga kärnan med den kvarvarande kärnan, eller kärnfragment, efter att den har interagerat med en målproton.

"Med inverterad kinematik, vi vet exakt vad som händer med en kärna när vi tar bort dess protoner och neutroner, "Säger Hen.

Kvantsiktning

Teamet tog detta omvända kinematiska tillvägagångssätt för ultrahöga energier, använder JINR:s partikelaccelerator för att rikta in sig på ett stationärt moln av protoner med en stråle av kol-12-kärnor, som de sköt ut med 48 miljarder elektronvolts-storleksordningar högre än energierna som finns naturligt i kärnor.

Vid så höga energier, varje nukleon som interagerar med en proton sticker ut i data, jämfört med icke -interagerande nukleoner som passerar genom vid mycket lägre energier. På det här sättet, forskarna kan snabbt isolera alla interaktioner som uppstod mellan en kärna och en proton.

Från dessa interaktioner, laget plockade igenom de kvarvarande kärnfragmenten, letar efter bor-11-en konfiguration av kol-12, minus en enda proton. Om en kärna började som kol-12 och slutade som bor-11, det kan bara betyda att den stötte på en målproton på ett sätt som slog ut en enda proton. Om målprotonen slog ut mer än en proton, det skulle ha varit resultatet av kvantmekaniska effekter i kärnan som skulle vara svåra att tolka. Teamet isolerade bor-11 som en tydlig signatur och slängde alla tändare, kvantpåverkade fragment.

Teamet beräknade energin för protonen som slogs ut från den ursprungliga kol-12-kärnan, baserat på varje interaktion som producerade bor-11. När de sätter energierna i ett diagram, mönstret passade exakt med kol-12:s väletablerade distribution-en validering av den inverterade, högenergimetod.

De vände sedan tekniken på kortdistans-korrelerade par, för att se om de kunde rekonstruera respektive partikels respektive energier i ett par-grundläggande information för att i slutändan förstå dynamiken i neutronstjärnor och andra neutrontäta föremål.

De upprepade experimentet och den här gången letade man efter bor-10, en konfiguration av kol-12, minus en proton och en neutron. Varje detektion av bor-10 skulle innebära att en kol-12-kärna interagerade med en målproton, som slog ut en proton, och dess bundna partner, en neutron. Forskarna kunde mäta energierna för både målet och de utslagna protonerna för att beräkna neutronens energi och energin från det ursprungliga SRC -paret.

I alla, forskarna observerade 20 SRC-interaktioner och från dem kartlade kol-12:s fördelning av SRC-energier, som passar bra med tidigare experiment. Resultaten tyder på att invers kinematik kan användas för att karakterisera SRC -par i mer instabila och till och med radioaktiva kärnor med många fler neutroner.

"När allt är omvänt, detta betyder att en stråle som kör igenom kan vara gjord av instabila partiklar med mycket korta livslängder som lever i en millisekund, "säger Julian Kahlbow, en gemensam postdoc vid MIT och Tel-aviv University och en ledande författare till tidningen. "Den millisekunden räcker för att vi ska skapa den, låt det interagera, och låt det gå. Så nu kan vi systematiskt lägga till fler neutroner i systemet och se hur dessa SRC utvecklas, som hjälper oss att informera vad som händer i neutronstjärnor, som har många fler neutroner än något annat i universum. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.