En ny form for natrium – elementet som kombineres med klor for å lage salt – pakker 28 nøytroner i atomkjernen, sammen med de 11 protonene som definerer dens kjemiske identitet. Med mer enn det dobbelte av de 13 nøytronene i naturlig natrium, er den nøytronrike isotopen til grunnstoffet så ekstrem at få teoretiske modeller forutså dens eksistens. “Det er en overraskelse at disse nøytronene fortsetter å henge på,” sier Katherine Grzywacz-Jones, en kjernefysiker ved University of Tennessee, Knoxville, som ikke var involvert i arbeidet.
Forskere ved Japans RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science skapte bare en håndfull natrium-39-kjerner. Men deres eksistens utfordrer fysikeres forståelse av kjernefysisk struktur. Det antyder også at det kan være vanskeligere enn antatt å spore prosessen der eksploderende stjerner smir mange elementer – et mål for et stort nytt anlegg i USA.
For tre år siden ble et eksperiment med RIKEN-senterets partikkelakselerator, en superledende syklotron kalt Radioaktive isotopstrålefabrikk, ga et fristende hint av en enkelt natrium-39 kjerne. “Derfor gjentok vi eksperimentet med mye høyere stråleintensitet og lengre stråletid,” sier Toshiyuki Kubo, en RIKEN-kjernefysiker.
Kubos team på 26 medlemmer skjøt en stråle med kalsium-48 kjerner gjennom et berylliummål for å rive dem i stykker og traktet fragmentene gjennom en slingrende kjede av magneter kalt BigRIPS. Forskere stemte inn at chicane slik at bare natrium-39 eller en kjerne med et lignende forhold mellom masse og ladning kunne slalom gjennom. Energien en kjerne avsatte i en detektor på slutten avslørte ladningen. Fra ladningen og massen kunne Kubo og kollegene enkelt telle en kjernes protoner og nøytroner. De skyter 500 kvadrillioner kalsium-48 kjerner gjennom målet spionerte ni natrium-39 kjernerrapporterer de i en avis i pressen kl Fysiske gjennomgangsbrev.
Det kan være vanskelig å forutsi hvilke kombinasjoner av protoner og nøytroner som vil binde seg til en kjerne. Protoner og nøytroner henger sammen ved å utveksle partikler kalt pioner, og en kvantemekanisk effekt favoriserer kjerner med tilsvarende antall protoner og nøytroner. Men de elektrisk ladede protonene frastøter hverandre, og vipper balansen mot færre protoner. Kjerner varierer også fra et enkelt proton til hundrevis av protoner og nøytroner, og ulike teoretiske tilnærminger har en tendens til å fungere bedre i forskjellige masseområder.
“Langt de fleste modeller forutså ikke at natrium-39 skulle bindes,” sier Brad Sherrill, en kjernefysiker ved Michigan State University og en forfatter på papiret. Men for 2 år siden prøvde Witold Nazarewicz, en kjernefysisk teoretiker ved Michigan State, og kolleger å forutsi alle mulige kjerner ved å beregne gjennomsnittsmodellprediksjoner, hver vektet av sin usikkerhet. Det ga 50 % sannsynlighet for at natrium-39 ville eksistere. “Er den [RIKEN] resultatet overraskende?” sier Nazarewicz. “Nei. Det er viktig? Ja.”
Det tilfører en viktig detalj til atomlandskapet, sier han. Fysikere plotter kjente og forutsagte kjerner på et sjakkbrettlignende diagram, med antall protoner som klatrer vertikalt og antall nøytroner øker fra venstre til høyre. Kjernene danner et bredt skår diagonalt over kartet, hvis nedre kant kalles nøytrondrypplinjen. Det markerer grensen der det blir umulig å stappe flere nøytroner inn i en kjerne med et gitt antall protoner. Og det er bare kjent opp til neon, element 10.
Nøytrondrypplinjen har servert overraskelser før. For eksempel hopper det fra 16 nøytroner for oksygen (element 8) til 22 nøytroner for fluor (element 9). For å forklare det hoppet, måtte teoretikere inkludere krefter ikke bare blant par av protoner og nøytroner i en kjerne, men også blant trioer, sier Sherrill. En annen bit av oversett fysikk kan forklare hvorfor drypplinjen ser ut til å hoppe med fire nøytroner fra neon-34 til natrium-39.
Resultatene kan komplisere et mål for fysikere. Halvparten av alle grunnstoffer som er tyngre enn jern, kommer fra supernovaeksplosjoner, ettersom kjerner raskt absorberer nøytroner som fosser ut fra eksplosjonen selv om de gjentatte ganger gjennomgår radioaktivt beta-nedbrytning – der et nøytron i en kjerne spytter ut et elektron og forvandles til et proton. Nøyaktig å identifisere kjernene i prosessen er en prioritet for en ny $730 millioner lineær akselerator kalt Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) i Michigan State. Hvis drypplinjen ligger lenger ut, kan disse kjernene inneholde flere nøytroner og være vanskeligere å lage, sier Sherrill.
De første resultatene fra FRIB, som slo på i mai, undersøker kjerner nær natrium-39. Forskere der knuste også en stråle av kalsium-48 for å lage nøytronrike isotoper av magnesium, aluminium, silisium og fosfor – elementene som følger natrium – og målt hvor raskt de beta-forfallermelder teamet i en avis i pressen kl Fysiske gjennomgangsbrev. I en annen godbit for å informere modeller var halveringstiden til magnesium-38 overraskende kort, sier Heather Crawford, en kjernefysiker ved Lawrence Berkeley National Laboratory og hovedforfatter.
For Crawfords eksperiment produserte FRIB en stråle en tolvtedel så intens som den i RIKEN-studien. Om noen år bør FRIB øke stråleintensiteten 400 ganger, noe som gjør det mulig å spore nøytrondrypplinjen lenger opp på kartet, bemerker Crawford. “Når FRIB øker i kraft, er det en av de første tingene jeg forventer vil bli forfulgt.”