Fyzici obrátili urychlovač částic, aby získali jasnější pohled na atomová jádra

Střelba iontových paprsků na mraky protonů, jako je házení šipek jádra rychlostí světla, může poskytnout jasnější pohled na strukturu jádra. Fotografický kredit: Jose-Luis Olivares, MIT

Střelba iontových paprsků na mraky protonů může vědcům pomoci zmapovat vnitřní fungování neutronových hvězd.

Fyzik ve společnosti S a jinde iontové paprsky září na mraky protonů – jako házení jaderných šípů rychlostí světla – aby zmapovaly strukturu jednoho atomJádro.

Experiment je inverzí obvyklých urychlovačů částic, které vrhají elektrony na atomová jádra za účelem studia jejich struktur. Tým použil tento přístup „inverzní kinematiky“ k odstranění chaotických kvantově mechanických vlivů v jádru a získání jasného pohledu na protony a neutrony jádra a jeho páry korelované na krátkou vzdálenost (SRC). Jedná se o páry protonů nebo neutronů, které se krátce spojí a vytvoří superhusté kapičky jaderné hmoty a mají dominovat v ultrahustém prostředí neutronových hvězd.

Výsledky zveřejněné 29. Března 2021 v Přírodní fyzikaukazují, že inverzní kinematiku lze použít k charakterizaci struktury nestabilních jader – základních složek, které vědcům umožňují porozumět dynamice neutronových hvězd a procesům, kterými vytvářejí těžké prvky.

“Otevřeli jsme dveře studiu párů SRC, a to nejen ve stabilních jádrech, ale také v jádrech bohatých na neutrony, které jsou velmi běžné v prostředích, jako je Neutronová hvězda Sloučení, “říká spoluautor studie Or Hen, odborný asistent fyziky na MIT. „Tím se dostáváme blíže k pochopení takových exotických astrofyzikálních jevů.“

Spoluautoři Hen jsou Jullian Kahlbow a Efrain Segarra z MIT, Eli Piasetzky z Tel Avivské univerzity a vědci z Technické univerzity v Darmstadtu, Společného institutu pro jaderný výzkum (JINR) v Rusku, Francouzské komise pro alternativní energii a atomovou energii (CEA) a GSI Helmholtzovo centrum pro výzkum těžkých iontů v Německu.

Zpětný akcelerátor

Urychlovače částic obvykle zkoumají jaderné struktury rozptylem elektronů, při kterém jsou vysokoenergetické elektrony odstřelovány na stacionární oblak cílových jader. Když elektron narazí na jádro, protony a neutrony se vypnou a elektron ztratí v procesu energii. Vědci změřili energii elektronového paprsku před a po této interakci a vypočítali původní energie vyřazených protonů a neutronů.

Zatímco rozptyl elektronů je přesný způsob rekonstrukce struktury jádra, je to také hazardní hra. Pravděpodobnost, že elektron zasáhne jádro, je relativně malá, protože jediný elektron je ve srovnání s celým jádrem zanedbatelný. Aby se zvýšila tato pravděpodobnost, jsou paprsky zatíženy stále vyšší hustotou elektronů.

Vědci také ke studiu jader používají místo elektronů protonové paprsky, protože protony jsou poměrně větší a je pravděpodobnější, že zasáhnou svůj cíl. Ale protony jsou také složitější a skládají se z kvarků a gluonů, jejichž interakce mohou zakrývat konečnou interpretaci samotného jádra.

Abychom získali jasnější obrázek, fyzici v posledních letech obrátili tradiční strukturu: nasměrováním paprsku jader nebo iontů na cíl protonů mohou vědci nejen přímo měřit vyřazené protony a neutrony, ale také původní srovnávací jádro s zbytek jádra nebo fragmentu jádra po jeho interakci s cílovým protonem.

“S invertovanou kinematikou víme přesně, co se stane s jádrem, když odstraníme jeho protony a neutrony,” říká Hen.

Kvantové sedm

Tým použil tento přístup invertované kinematiky pro ultravysoké energie pomocí zařízení urychlovače částic JINR k cílení stacionárního protonového mraku s paprskem jader uhlíku-12, které byly sestřeleny na 48 miliard elektronvoltů – řádově vyšších než energie přirozeně se vyskytující v jádrech.

Při tak vysokých energiích bude jakýkoli nukleon, který interaguje s protonem, vyniknout v datech ve srovnání s neinteragujícími nukleony, které procházejí mnohem nižšími energiemi. Tímto způsobem mohou vědci rychle izolovat jakékoli interakce, ke kterým došlo mezi jádrem a protonem.

Z těchto interakcí tým hledal zbývající fragmenty jádra a hledal boron-11 – konfiguraci uhlíku-12 minus jeden proton. Pokud jádro začalo jako uhlík-12 a skončilo jako bór-11, mohlo by to znamenat jen to, že narazilo na cílový proton, který vyřadil jediný proton. Pokud by cílový proton vyřadil více než jeden proton, bylo by obtížné interpretovat výsledek kvantově mechanických účinků v jádru. Tým izoloval bór-11 jako jedinečný podpis a odhodil lehčí, kvantově ovlivněné fragmenty.

Tým vypočítal energii protonu vyřazeného z původního jádra uhlíku 12 na základě každé interakce, kterou produkoval bór-11. Když dají energie do grafu, vzor odpovídá dobře zavedené distribuci uhlíku-12 – ověření přístupu obrácené vysoké energie.

Techniku ​​poté aplikovali na korelované páry krátkého dosahu a hledali způsoby, jak rekonstruovat příslušné energie každé částice v páru – základní informace, které nakonec pomohou porozumět dynamice neutronových hvězd a dalších neutronově hustých objektů.

Opakovali experiment, tentokrát hledali bor-10, konfiguraci uhlíku-12 minus proton a neutron. Jakýkoli důkaz o boru-10 by znamenal, že jádro uhlíku-12 interaguje s cílovým protonem, který vyřadí proton a jeho vázaného partnera, neutron. Vědci byli schopni měřit energie jak cíle, tak vyřazených protonů, aby vypočítali energii neutronu a energii původního páru SRC.

Celkově vědci pozorovali 20 interakcí SRC a z toho mapovali distribuci energií SRC uhlíku-12, což se dobře hodí k předchozím experimentům. Výsledky naznačují, že inverzní kinematiku lze použít k charakterizaci párů SRC ve více nestabilních a dokonce i radioaktivních jádrech s mnohem více neutrony.

„Pokud je vše obrácené, znamená to, že potkávací paprsek může sestávat z nestabilních částic s velmi krátkou životností, která trvá milisekundu,“ říká Julian Kahlbow, společný postdoktor na MIT a univerzitě v Tel Avivu a spoluautor článku. “Tato milisekunda je dost na to, abychom je vytvořili, nechali je komunikovat a pustili se.” Nyní můžeme do systému systematicky přidávat další neutrony a sledovat vývoj těchto SRC. To nám pomáhá informovat o tom, co se děje v neutronových hvězdách, které mají mnohem více neutronů než cokoli jiného ve vesmíru. “

Odkaz: „Nenarušená měření vyřazení inverzní kinematiky nukleonu s uhlíkovým paprskem“ M. Patsyuk, J. Kahlbow, G. Laskaris, M. Dür, V. Lenivenko, EP Segarra, T. Atovullaev, G. Johansson, T. Aumann, A. Corsi, O. Hen, M. Kapishin, V. Panin, E. Piasetzky a The [email protected] Spolupráce, 29. března 2021, Přírodní fyzika.
DOI: 10.1038 / s41567-021-01193-4

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Mimořádný příklad toho, jak voda a led mohou formovat zemi

29. května 2021 Jedna z největších delt na světě je pozoruhodným příkladem toho, jak voda a led mohou formovat pevninu. Delta Yukon-Kuskokswim je jednou z největších...

Prehistorický typ člověka, který byl dříve vědě neznámý

Statická lebka, dolní čelist a temenní pravopis. Fotografický kredit: Tel Avivská univerzita Dramatický objev během izraelských vykopávek Objev nové homo skupiny v této oblasti, která...

Jak vznikla supermasivní černá díra

Výzkum vedený Kalifornskou univerzitou, Riverside poukázal na semeno černé díry vytvořené zhroucením halo temné hmoty. Supermasivní černé díry neboli SMBH jsou černé díry s hmotností...

MIT dosahuje významného pokroku směrem k plné implementaci kvantového výpočtu

Nastavitelná spojka může zapnout a vypnout interakci qubit-qubit. Nežádoucí, zbytkové (ZZ) interakce mezi dvěma qubity jsou eliminovány použitím vyšších úrovní energie v konektoru....

Rakovina prostaty související s obezitou – skutečné rozdělení tělesného tuku se zdá být důležitým faktorem

Tým INRS zkoumá souvislost mezi tělesnou hmotností a rizikem rakoviny. Rakovina prostaty je nejčastější formou rakoviny u kanadských mužů a třetí nejčastější příčinou úmrtí na...

Newsletter

Subscribe to stay updated.