Suche
Mein Konto
Krossade atomkärnor: avslöjar deras mystiska former
Fysiker använder högenergikollisioner för att studera formerna på atomkärnor, vilket kan revolutionera förståelsen av kemiska processer.
Krossade atomkärnor: avslöjar deras mystiska former
Fysiker har upptäckt ett nytt sätt att studera formen på atomkärnor – genom att förstöra dem i högenergikollisioner. Den här metoden skulle kunna hjälpa forskare att bättre förstå formerna på kärnor, vilket påverkar till exempel hastigheten för bildning av element i stjärnor och hjälper till att avgöra vilka material som är bäst lämpade som kärnbränsle.
"Formen på kärnor påverkar nästan alla aspekter av atomkärnan och kärnprocesser", säger Jie Meng, en kärnfysiker vid Pekings universitet i Peking. Den nya avbildningsmetoden, publicerad 6 november i tidskriften Nature, representerar "ett viktigt och spännande framsteg", sa Meng.
Ett team vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) vid Brookhaven National Laboratory i Upton, New York, kolliderade två strålar av uran-238 – och senare två strålar av guld – vid extrema energier. De kolliderade "så våldsamt att vi i princip smälte kärnorna till en soppa", säger medförfattaren Jiangyong Jia, fysiker vid Stony Brook University i New York.
Den heta plasman som skapades av kollisionerna expanderade mycket snabbt under tryck, och detta var kopplat till kärnornas ursprungliga form. Med hjälp av en detektor som kallas Solenoidal Tracker vid RHIC, eller STAR, som upptäckte farten hos flera tusen partiklar som produceras av båda typerna av kollisioner och matchade resultaten med modeller, kunde teamet "vända tillbaka klockan för att sluta sig till formen på kärnorna", förklarar Jia.
Dolda figurer
En atomkärna består av protoner och neutroner, som upptar energinivåer som elektroner. I allmänhet antar partiklarna en form som minimerar systemets energi. I likhet med en droppe vatten kan kärnan anta olika former, inklusive päron, amerikansk fotboll eller jordnötsskal. Formen på en kärna är "mycket svår att förutsäga teoretiskt", säger Jia. Det kan hon också över tid på grund av kvantfluktuationer variera.
Tidigare experiment för att utforska formen involverade att avleda lågenergijoner bort från kärnorna. Denna metod - kallad Coulomb-excitation - exciterar kärnorna, och strålningen de avger när de faller tillbaka till sitt grundtillstånd avslöjar aspekter av deras form. Eftersom tidsskalan är relativt lång kan denna typ av bildbehandling endast visa en långtidsbild som visar genomsnittet av alla formfluktuationer.
Däremot ger högenergikollisionsmetoden en omedelbar bild av kärnorna under sammanstötningen. Det är en mer direkt metod, vilket gör den mer lämpad för att studera exotiska former, säger Jia.
Tekniken bekräftade att guld hade en nästan sfärisk form som var konsekvent från en bild till nästa. Däremot förändrades uranformen i ögonblicksbilderna när kärnorna kolliderade i olika orienteringar. Detta gjorde det möjligt för forskare att beräkna de relativa längderna av urankärnan i tre dimensioner, vilket tyder på att uran inte bara sträcks utan också lätt komprimeras i en dimension, liknande en tömd amerikansk fotboll.
"Det är fascinerande att det fungerade" och att andra kärnprocesser inte påverkade utsläppet av partiklarna och maskerade deformationen, säger Magdalena Zielińska, kärnfysiker vid den franska byrån för alternativ energi och atomenergi nära Paris.
Hårt eller mjukt?
Den här typen av avbildning kan hjälpa till att ta itu med den utmanande uppgiften att skilja mellan kärnor som är "styva", vilket betyder att de har väldefinierade former, och "mjuka" som fluktuerar, säger Zielińska.
Jia säger att hans team också vill använda metoden för att studera skillnaderna mellan ljusjoner som syre och neon. Syrekärnor är nästan sfäriska, medan neonkärnor - som bär ytterligare två protoner och två neutroner - anses vara utböjda. Att jämföra deras former skulle tillåta forskare att förstå hur protoner och neutroner bildar kluster i kärnorna, sa Jia.
Information om form kan också avslöja om kärnor sannolikt kommer att interagera med varandra eller genomgå en kärnklyvningsreaktion, och kan öka sannolikheten för en process som kallas neutrinolös dubbel β-sönderfall för att upptäcka vad som kan hjälpa till att lösa några mångåriga mysterier inom fysiken. Cirka 99,9 % av den synliga materien finns i atomernas centrum, säger Jia. "Att förstå den nukleära byggstenen är praktiskt taget kärnan i att förstå vilka vi är."
-
STAR Collaboration Nature https://doi.org/10.1038/s41586-024-08097-2 (2024).