Atomkärnor har bara två ingredienser, protoner och neutroner, men det relativa antalet av dessa ingredienser gör en radikal skillnad i deras egenskaper. Vissa konfigurationer av protoner och neutroner, med "magiska tal" av protoner eller neutroner ordnade i fyllda skal inom kärnan, är starkare bundna än andra. De sällsynta kärnorna med kompletta proton- och neutronskal, som kallas dubbelmagi, uppvisar särskilt förbättrad bindningsenergi och är utmärkta testfall för studier av nukleära egenskaper.

I en tidning som just publicerats i Naturfysik , Maxime Mougeot från CERN och kollegor beskriver teoretiska beräkningar och experimentella resultat från CERNs ISOLDE-anläggning som kastar nytt ljus över en av de mest ikoniska dubbelmagiska kärnorna:tenn-100.

Med 50 protoner och 50 neutroner, tenn-100 är av särskilt intresse för studier av nukleära egenskaper eftersom, förutom att vara dubbel magi, det är den tyngsta kärnan som består av lika många protoner och neutroner – en egenskap som ger den en av de starkaste beta-sönderfallen, där en positron (antipartikeln till en elektron) sänds ut för att producera en dotterkärna.

Studier av beta-sönderfallet av tenn-100 lider av svårigheter att producera det. Dessutom, de två senaste sådana studierna, på RIKEN i Japan av Lubos och kollegor och på GSI i Tyskland av Hinke och kollegor, ge olika värden för den energi som frigörs vid sönderfallet, vilket resulterar i avvikande värden för massan av tenn-100.

Den senaste utvecklingen vid ISOLDE-anläggningen har möjliggjort produktion av de närliggande kärnorna indium-101, indium-100 och indium-99, bara en proton under tenn-100. I deras nya studie, Mougeot och kollegor använde all experimentell beväpning av anläggningens ISOLTRAP-uppsättning för att mäta massorna av dessa nya medlemmar i ISOLDE-familjen, särskilt massan av indium-100.

"Massan av tenn-100 kan härledas från den för indium-100 och den energi som frigörs i beta-sönderfallet av tenn-100 till indium-100, säger Mougeot, "Så vår indium-100 massmätning tog tag i denna ikoniska dubbelmagiska kärna i svansen."

ISOLTRAP-massmätningen av indium-100 är nittio gånger mer exakt än den föregående, vilket förstorar avvikelsen i värdena för tenn-100-massan som härleds från de senaste beta-sönderfallsstudierna.

Forskarna gjorde sedan jämförelser mellan de uppmätta massorna av indiumkärnorna och nya sofistikerade "ab initio" teoretiska beräkningar som försöker beskriva kärnor från första principer. Dessa jämförelser gynnar beta-sönderfallsenergiresultatet hos Hinke och kollegor framför det hos Lubos och kollegor. Dessutom, de visar utmärkt överensstämmelse mellan mätningarna och beräkningarna, ger forskarna stort förtroende för att beräkningarna fångar den intrikata kärnfysiken hos tenn-100 och dess indiumgrannar.