Forskare vid Peking University i Kina har framgångsrikt observerat den svårfångade 0₂ ⁺ tillstånd ⁸ Han avslöjar en ny klusterstruktur med två starkt korrelerade neutronpar. Detta fynd ger insikter i exotiska kärnstrukturer och deras potentiella implikationer för att förstå neutronstjärnor. Resultaten publiceras i Physical Review Letters .

Den konventionella kärnmodellen inom fysik ger en bild av en partikel där nukleoner, protoner och neutroner rör sig oberoende inom en kärna och bildar en väldefinierad skalstruktur. Styrt av en medelpotential skapad av kärnkrafter, fyller nukleoner distinkta energinivåer eller skal, vilket leder till ökad stabilitet i samband med magiska siffror.

Denna modell, med rötter i kvantmekaniken, förklarar framgångsrikt kärnstruktur och stabilitet men stöter på begränsningar när man tar itu med exotiska kärnor, särskilt de som är neutronrika och instabila.

Första författaren till studien, Prof. Zaihong Yang, förklarade teamets motivation för Phys.org:"Som kärnfysiker är ett av våra primära mål att förstå vad som är kärnans struktur och hur den uppstår från de komplexa kärninteraktionerna mellan de ingående nukleonerna."

Av särskilt intresse är den kondensatliknande klusterstrukturen i den neutronrika kärnan ⁸ Han.

"Ett kondensatliknande klustertillstånd gjord av en alfa plus två dineutronkluster har teoretiskt förutspåtts i den neutronrika kärnan ⁸ Han, men dess experimentella observationer har förblivit svårfångade på grund av svårigheten i både produktionen och identifieringen av detta exotiska klustertillstånd, säger professor Yang.

Klustertillstånd och resonanstillstånd för ⁸ Han

Det nämnda klustertillståndet hänvisar till en specifik kärnkonfiguration i den neutronrika kärnan ⁸ Han.

I detta tillstånd kombineras två starkt korrelerade neutronpar, kända som dineutronkluster, med ett alfakluster (fyra heliumkärnor) och bildar vad forskarna beskriver som en "kondensatliknande klusterstruktur."

Termen "kondensatliknande" drar en analogi till Bose-Einstein-kondensat (BEC), ett tillstånd av materia som bildas vid extremt låga temperaturer.

I BECs upptar partiklar som atomer samma kvanttillstånd och uppvisar kollektivt beteende. På liknande sätt, i samband med ⁸ I klustertillståndet antyder termen att de två dineutronklustren och alfaklustret tillsammans bidrar till kärnstrukturen.

Dineutronklustren betecknas som 0₂ ⁺ , med "0" som indikerar spin-pariteten (i detta fall, spin 0), "2" är energitillståndet, och "+" är pariteten (positiv).

För att observera det teoretiserade tillståndet utförde forskargruppen ett kärnspridningsexperiment vid RIKEN Nishina Center i Japan. Denna experimentella strävan utformades för att undersöka och granska det teoretiserade klustertillståndet inom ⁸ Han.

Fokus låg på distinkta egenskaper, inklusive den svårfångade spinnpariteten i klustertillståndet, en ovanligt betydande isoskalär monopolövergångsstyrka och emissionen av ett starkt korrelerat neutronpar.

"Tillsammans med de senaste teoretiska beräkningarna ger våra resultat starka bevis för att de fyra valensneutronerna i 0₂ ⁺ upphetsat tillstånd ⁸ Han kan bilda två starkt korrelerade neutronpar (dineutronkluster) och ytterligare bilda en exotisk kondensatliknande klusterstruktur", förklarade professor Yanlin Ye, andra författare till studien.

Denna prestation validerar inte bara teoretiska förutsägelser utan understryker också den uppfinningsrikedom som krävs i experimentell design för att navigera i kärnfysikens krångligheter.

Prof. Yang sa, "En omedelbar implikation av vårt fynd är att instabila kärnor som ligger vid gränsen för stabilitet kan uppvisa exotiska strukturer som skiljer sig från de konventionella enpartikel- eller skalmodellbilderna, vilket kräver förbättring av kärnkraften. strukturteorier."

"Dessutom, medan kärnan huvudsakligen är gjord av fermioniska nukleoner (protoner och neutroner), visar våra resultat att strukturen för denna 0₂ ⁺ tillståndet är ändå bosoniskt – ett BEC-analogt klustertillstånd – gjort av två dineutronkluster och ett alfakluster."

Neutronstjärnor och pulsarer

Den observerade 0₂ ⁺ tillstånd ⁸ Han har implikationer bortom kärn- och kvantfysik. Det har stor betydelse för vår förståelse av astrofysiska fenomen, särskilt avkylningsprocessen för neutronstjärnor och fel i pulsarer.

Dr. Yang klargjorde den potentiella kopplingen mellan 0₂ ⁺ tillstånd och neutronstjärnor. Den observerade kondensatliknande klusterstrukturen är i linje med den föreslagna starten av neutronsuperfluiditet i neutronstjärnornas inre. Detta fenomen liknar kondensationen av elektron-Cooper-par i supraledare.

"Även om vi inte kan besöka en riktig neutronstjärna för att förvärva dess täta neutronrika material, kan dess egenskaper härledas från experiment med ändliga kärnor i laboratoriet."

"0₂ ⁺ tillstånd, som kännetecknas av sin unika klusterkonfiguration, erbjuder värdefulla insikter i bildandet av ett kondensationstillstånd av neutronpar. Viktigt är att det kan vara ett prekursortillstånd för ett makroskopiskt kondensat av neutronpar i neutronrika system, inklusive neutronstjärnor", förklarade han.

Denna koppling mellan kärnfysik och astrofysik förbättrar inte bara vår förståelse av exotiska kärnstrukturer utan bidrar också till att reda ut mysterierna med kosmiska fenomen och kastar ljus över det invecklade samspelet mellan kärnornas mikroskopiska värld och neutronstjärnornas och pulsarernas makroskopiska världar.

När forskarna föreställer sig vägen framåt, räknar forskarna med att utöka mätningarna till andra neutronrika kärnor som ligger runt neutrondropplinjen (gränsen för existensen på kärnkraftsdiagrammet).

"Vi är särskilt intresserade av hur den kondensatliknande klusterstrukturen utvecklas med fler dineutronkluster. Att utforska system gjorda enbart av neutroner, som tetraneutroner och hexaneutroner, ger intriger."

"Tillverkning och identifiering av sådana tillstånd är utmanande, men konstruktionen av världsomspännande radioaktiva jonstråleanläggningar och nya detektorsystem erbjuder goda möjligheter", avslutade Prof. Ye.

Mer information: Z. H. Yang et al, Observation of the Exotic 0₂ ⁺ Klustertillstånd i ⁸ Han, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.242501

Journalinformation: Fysiska granskningsbrev

© 2023 Science X Network