Atomkärnan är en hektisk plats. Dess beståndsdelar protoner och neutroner kolliderar då och då och flyger kortvarigt isär med hög fart innan de knäpper ihop igen som de två ändarna av ett sträckt gummiband. Med hjälp av en ny teknik hittade fysiker som studerade dessa energiska kollisioner i lätta kärnor något överraskande:protoner kolliderar med sina medprotoner och neutroner med sina medneutroner oftare än förväntat.

Upptäckten gjordes av ett internationellt team av forskare som inkluderar forskare från Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), med hjälp av Continuous Electron Beam Accelerator Facility vid DOE:s Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) i Virginia. Det rapporterades i en tidning som publicerades idag i tidskriften Nature .

Att förstå dessa kollisioner är viktigt för att tolka data i ett brett spektrum av fysikexperiment som studerar elementarpartiklar. Det kommer också att hjälpa fysiker att bättre förstå strukturen hos neutronstjärnor – kollapsade kärnor av jättestjärnor som är bland de tätaste formerna av materia i universum.

John Arrington, en Berkeley Lab-forskare, är en av fyra talespersoner för samarbetet, och Shujie Li, huvudförfattaren på tidningen, är en Berkeley Lab-postdoc. Båda finns i Berkeley Labs Nuclear Science Division.

Protoner och neutroner, de partiklar som utgör atomkärnor, kallas gemensamt för nukleoner. I tidigare experiment har fysiker studerat energiska tvånukleonkollisioner i en handfull kärnor som sträcker sig från kol (med 12 nukleoner) till bly (med 208). Resultaten var konsekventa:proton-neutronkollisioner utgjorde nästan 95 % av alla kollisioner, medan proton-proton- och neutron-neutronkollisioner stod för de återstående 5 %.

Det nya experimentet vid Jefferson Lab studerade kollisioner i två "spegelkärnor" med tre nukleoner vardera och fann att proton-proton- och neutron-neutron-kollisioner var ansvariga för en mycket större del av det totala - ungefär 20%. "Vi ville göra en betydligt mer exakt mätning, men vi förväntade oss inte att det skulle vara dramatiskt annorlunda", sa Arrington.

Använda en kollision för att studera en annan

Atomkärnor avbildas ofta som täta kluster av protoner och neutroner som sitter ihop, men dessa nukleoner kretsar faktiskt hela tiden om varandra. "Det är som solsystemet men mycket mer trångt", sa Arrington. I de flesta kärnor tillbringar nukleoner omkring 20 % av sina liv i högmomentum exciterade tillstånd som ett resultat av tvånukleonkollisioner.

För att studera dessa kollisioner, zappa fysiker kärnor med strålar av högenergielektroner. Genom att mäta energin och rekylvinkeln för en spridd elektron kan de sluta sig till hur snabbt nukleonen den träffade måste ha rört sig. "Det är som skillnaden mellan att studsa en pingisboll från en rörlig vindruta eller en stillastående vindruta," sa Arrington. Detta gör det möjligt för dem att plocka ut händelser där en elektron spred sig från en proton med högt momentum som nyligen kolliderade med en annan nukleon.

I dessa elektron-proton-kollisioner packar den inkommande elektronen tillräckligt med energi för att slå ut den redan exciterade protonen helt och hållet ur kärnan. Detta bryter den gummibandsliknande interaktionen som normalt tyglar det exciterade nukleonparet, så den andra nukleonen slipper också kärnan.

I tidigare studier av tvåkroppskollisioner fokuserade fysiker på spridning av händelser där de upptäckte den studsande elektronen tillsammans med båda utstötta nukleonerna. Genom att märka alla partiklar kunde de räkna upp det relativa antalet proton-protonpar och proton-neutronpar. Men sådana "trippel sammanträffande" händelser är relativt sällsynta, och analysen krävde noggrann redovisning av ytterligare interaktioner mellan nukleoner som kunde förvränga räkningen.

Spegelkärnor ökar precisionen

Författarna till det nya arbetet hittade ett sätt att fastställa det relativa antalet proton-proton- och proton-neutronpar utan att detektera de utstötta nukleonerna. Tricket var att mäta spridning från två "spegelkärnor" med samma antal nukleoner:tritium, en sällsynt isotop av väte med en enda proton och två neutroner, och helium-3, som har två protoner och en enda neutron. Helium-3 ser ut precis som tritium med protoner och neutroner utbytta, och denna symmetri gjorde det möjligt för fysiker att skilja kollisioner som involverar protoner från de som involverar neutroner genom att jämföra deras två datamängder.

Spegelkärnansatsningen startade efter att Jefferson Lab-fysiker planerade att utveckla en tritiumgascell för elektronspridningsexperiment - den första användningen av denna sällsynta och temperamentsfulla isotop på decennier. Arrington och hans medarbetare såg en unik möjlighet att studera tvåkroppskollisioner inuti kärnan på ett nytt sätt.

Det nya experimentet kunde samla in mycket mer data än tidigare experiment eftersom analysen inte krävde sällsynta trippelsammanfallshändelser. Detta gjorde det möjligt för teamet att förbättra precisionen i tidigare mätningar med en faktor tio. De hade ingen anledning att förvänta sig att tvånukleonkollisioner skulle fungera annorlunda i tritium och helium-3 än i tyngre kärnor, så resultaten kom som en ganska överraskning.

Mysterier med starka krafter kvarstår

Den starka kärnkraften är välkänd på den mest grundläggande nivån, där den styr subatomära partiklar som kallas kvarkar och gluoner. Men trots dessa fasta grunder är växelverkan mellan kompositpartiklar som nukleoner mycket svåra att beräkna. Dessa detaljer är viktiga för att analysera data i högenergiexperiment som studerar kvarkar, gluoner och andra elementära partiklar som neutrinos. De är också relevanta för hur nukleoner interagerar under de extrema förhållanden som råder i neutronstjärnor.

Arrington har en gissning om vad som kan hända. Den dominerande spridningsprocessen inuti kärnor sker endast för proton-neutronpar. Men vikten av denna process i förhållande till andra typer av spridning som inte skiljer protoner från neutroner kan bero på den genomsnittliga separationen mellan nukleoner, som tenderar att vara större i lätta kärnor som helium-3 än i tyngre kärnor.

Fler mätningar med andra lätta kärnor kommer att krävas för att testa denna hypotes. "Det är tydligt att helium-3 skiljer sig från den handfull tunga kärnor som mättes," sa Arrington. "Nu vill vi driva på för mer exakta mätningar på andra lätta kärnor för att ge ett definitivt svar." + Utforska vidare

Nya experiment med djup oelastisk spridning mäter två spegelkärnor