Suche
Mein Konto
Knuste atomkjerner: avslører deres mystiske former
Fysikere bruker høyenergikollisjoner for å studere formene til atomkjerner, noe som kan revolusjonere forståelsen av kjemiske prosesser.
Knuste atomkjerner: avslører deres mystiske former
Fysikere har oppdaget en ny måte å studere formen til atomkjerner – ved å ødelegge dem i høyenergikollisjoner. Denne metoden kan hjelpe forskere til å bedre forstå formene til kjernene, noe som påvirker for eksempel dannelseshastigheten til grunnstoffer i stjerner og hjelper til med å bestemme hvilke materialer som er best egnet som kjernebrensel.
"Formen på kjernene påvirker nesten alle aspekter av atomkjernen og kjernefysiske prosesser," sier Jie Meng, en kjernefysiker ved Peking University i Beijing. Den nye avbildningsmetoden, publisert 6. november i tidsskriftet Nature, representerer "et viktig og spennende fremskritt," sa Meng.
Et team ved Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ved Brookhaven National Laboratory i Upton, New York, kolliderte to stråler av uran-238 – og senere to stråler av gull – ved ekstreme energier. De kolliderte «så voldsomt at vi i utgangspunktet smeltet kjernene til en suppe», sier medforfatter Jiangyong Jia, fysiker ved Stony Brook University i New York.
Det varme plasmaet skapt av kollisjonene ekspanderte veldig raskt under trykk, og dette var knyttet til den opprinnelige formen til kjernene. Ved å bruke en detektor kalt Solenoidal Tracker ved RHIC, eller STAR, som oppdaget farten til flere tusen partikler produsert av begge typer kollisjoner og matchet resultatene med modeller, var teamet i stand til å "skru tilbake klokken for å utlede formen på kjernene," forklarer Jia.
Skjulte figurer
En atomkjerne består av protoner og nøytroner, som opptar energinivåer som elektroner. Generelt får partiklene en form som minimerer energien i systemet. I likhet med en dråpe vann kan kjernen ta forskjellige former, inkludert en pære, amerikansk fotball eller peanøttskall. Formen til en kjerne er "veldig vanskelig å forutsi teoretisk," sier Jia. Det kan hun også over tid på grunn av kvantesvingninger variere.
Tidligere eksperimenter for å utforske formen involverte å avlede lavenergiioner bort fra kjernene. Denne metoden - kalt Coulomb-eksitasjon - begeistrer kjernene, og strålingen de sender ut når de faller tilbake til grunntilstanden avslører aspekter ved formen deres. Fordi tidsskalaen er relativt lang, kan denne typen bildebehandling bare vise et langtidsbilde som viser gjennomsnittet av alle formsvingninger.
I kontrast gir høyenergikollisjonsmetoden et øyeblikkelig bilde av kjernene under sammenstøt. Det er en mer direkte metode, som gjør den mer egnet for å studere eksotiske former, sier Jia.
Teknikken bekreftet at gull hadde en nesten sfærisk form som var konsistent fra ett bilde til det neste. I kontrast endret uranformen seg i øyeblikksbildene ettersom kjernene kolliderte i forskjellige orienteringer. Dette gjorde det mulig for forskere å beregne de relative lengdene til urankjernen i tre dimensjoner, noe som tyder på at uran ikke bare er strukket, men også litt komprimert i én dimensjon, lik en deflatert amerikansk fotball.
«Det er fascinerende at det fungerte» og at andre kjernefysiske prosesser ikke påvirket utslippet av partiklene og maskerte deformasjonen, sier Magdalena Zielińska, en kjernefysiker ved det franske byrået for alternativ energi og atomenergi nær Paris.
Hard eller myk?
Denne typen avbildning kan bidra til å takle den utfordrende oppgaven med å skille mellom kjerner som er "stive", noe som betyr at de har veldefinerte former, og "myke" som svinger, sier Zielińska.
Jia sier at teamet hans også ønsker å bruke metoden for å studere forskjellene mellom lysioner som oksygen og neon. Oksygenkjerner er nesten sfæriske, mens neonkjerner - som bærer ytterligere to protoner og to nøytroner - anses å være bøyd ut. Å sammenligne formene deres vil tillate forskere å forstå hvordan protoner og nøytroner danner klynger i kjernene, sa Jia.
Informasjon om form kan også avsløre om kjerner sannsynligvis vil samhandle med hverandre eller gjennomgå en kjernefysisk fisjonsreaksjon, og kan øke sannsynligheten for en prosess som kalles nøytrinoløs dobbel β-forfall for å finne ut hva som kan bidra til å løse noen langvarige mysterier innen fysikk. Omtrent 99,9 % av synlig materie er i sentrum av atomer, sier Jia. "Å forstå den kjernefysiske byggesteinen er praktisk talt i hjertet av å forstå hvem vi er."
-
STAR Collaboration Nature https://doi.org/10.1038/s41586-024-08097-2 (2024).