Fysikere ser inn i speilkjerner og ser uventede sammenkoblinger

Atomkjernen er et travelt sted. Protonene og nøytronene som består av den kolliderer av og til, og flyr kort fra hverandre med høy fart før de knepper sammen igjen som de to endene av et strukket gummibånd. Ved å bruke en ny teknikk fant fysikere som studerte disse energiske kollisjonene i lette kjerner noe overraskende: protoner kolliderer med sine andre protoner og nøytroner med sine mednøytroner oftere enn forventet.

Oppdagelsen ble gjort av et internasjonalt team av forskere som inkluderer forskere fra Department of Energy’s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), ved bruk av Continuous Electron Beam Accelerator Facility ved DOEs Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) i Virginia. Det ble rapportert i en artikkel publisert i dag i tidsskriftet Natur.

Å forstå disse kollisjonene er viktig for å tolke data i et bredt spekter av fysikkeksperimenter som studerer elementærpartikler. Det vil også hjelpe fysikere bedre å forstå strukturen til nøytron stjerner – kollapsede kjerner av gigantiske stjerner som er blant de tetteste materieformene i universet.

John Arrington, en Berkeley Lab-forsker, er en av fire talspersoner for samarbeidet, og Shujie Li, hovedforfatteren på papiret, er en Berkeley Lab-postdoktor. Begge er i Berkeley Labs Nuclear Science Division.

Protoner og nøytroner, partiklene som utgjør atomkjerner, kalles samlet nukleoner. I tidligere eksperimenter har fysikere studert energiske to-nukleonkollisjoner i en håndfull kjerner som strekker seg fra karbon (med 12 nukleoner) til bly (med 208). Resultatene var konsistente: proton-nøytron-kollisjoner utgjorde nesten 95 % av alle kollisjoner, med proton-proton- og nøytron-nøytron-kollisjoner som sto for de resterende 5 %.

Det nye eksperimentet ved Jefferson Lab studerte kollisjoner i to “speilkjerner” med tre nukleoner hver, og fant at proton-proton- og nøytron-nøytronkollisjoner var ansvarlige for en mye større andel av totalen – omtrent 20%. “Vi ønsket å gjøre en betydelig mer presis måling, men vi hadde ikke forventet at det skulle være dramatisk annerledes,” sa Arrington.

Bruke en kollisjon for å studere en annen

Atomkjerner er ofte avbildet som tette klynger av protoner og nøytroner festet sammen, men disse nukleonene går faktisk konstant i bane rundt hverandre. “Det er som solsystemet, men mye mer overfylt,” sa Arrington. I de fleste kjerner tilbringer nukleoner omtrent 20 % av livet i eksiterte tilstander med høyt momentum som følge av to-nukleonkollisjoner.

For å studere disse kollisjonene, zap fysikere kjerner med stråler av høyenergielektroner. Ved å måle energien og rekylvinkelen til et spredt elektron kan de utlede hvor raskt nukleonet det traff må ha beveget seg. “Det er som forskjellen mellom å sprette en ping-pong ball fra en bevegelig frontrute eller en stasjonær frontrute,” sa Arrington. Dette gjør dem i stand til å plukke ut hendelser der et elektron spredte seg fra et proton med høyt momentum som nylig kolliderte med et annet nukleon.

I disse elektron-proton-kollisjonene pakker det innkommende elektronet nok energi til å slå det allerede eksiterte protonet helt ut av kjernen. Dette bryter den gummibåndlignende interaksjonen som normalt tøyler det eksiterte nukleonparet, slik at det andre nukleonet også slipper unna kjernen.

I tidligere studier av to-kroppskollisjoner, fokuserte fysikere på spredning av hendelser der de oppdaget det rebounding-elektronet sammen med begge utkastede nukleoner. Ved å merke alle partiklene kunne de telle opp det relative antallet proton-proton-par og proton-nøytron-par. Men slike “trippelsammentreff”-hendelser er relativt sjeldne, og analysen krevde nøye redegjørelse for ytterligere interaksjoner mellom nukleoner som kunne forvrenge tellingen.

Speilkjerner øker presisjonen

Forfatterne av det nye arbeidet fant en måte å etablere det relative antallet proton-proton og proton-nøytronpar uten å oppdage de utstøtte nukleonene. Trikset var å måle spredning fra to «speilkjerner» med samme antall nukleoner: tritium, en sjelden isotop av hydrogen med et enkelt proton og to nøytroner, og helium-3, som har to protoner og et enkelt nøytron. Helium-3 ser ut akkurat som tritium med protoner og nøytroner byttet om, og denne symmetrien gjorde det mulig for fysikere å skille kollisjoner som involverer protoner fra de som involverer nøytroner ved å sammenligne deres to datasett.

Speilkjerneinnsatsen startet etter at Jefferson Lab-fysikere la planer om å utvikle en tritiumgasscelle for elektronspredningseksperimenter – den første slike bruken av denne sjeldne og temperamentsfulle isotopen på flere tiår. Arrington og hans samarbeidspartnere så en unik mulighet til å studere to-kroppskollisjoner inne i kjernen på en ny måte.

Det nye eksperimentet var i stand til å samle mye mer data enn tidligere eksperimenter fordi analysen ikke krevde sjeldne trippeltilfeldigheter. Dette gjorde det mulig for teamet å forbedre presisjonen til tidligere målinger med en faktor på ti. De hadde ikke grunn til å forvente at tonukleonkollisjoner ville fungere annerledes i tritium og helium-3 enn i tyngre kjerner, så resultatene kom ganske overraskende.

Mysterier med sterke kraft gjenstår

Den sterke kjernekraften er godt forstått på det mest grunnleggende nivået, der den styrer subatomære partikler kalt kvarker og gluoner. Men til tross for dette solide grunnlaget, er samspillet mellom komposittpartikler som nukleoner svært vanskelig å beregne. Disse detaljene er viktige for å analysere data i høyenergieksperimenter som studerer kvarker, gluoner og andre elementære partikler som nøytrinoer. De er også relevante for hvordan nukleoner samhandler under de ekstreme forholdene som råder i nøytronstjerner.

Arrington har en gjetning om hva som kan foregå. Den dominerende spredningsprosessen inne i kjerner skjer kun for proton-nøytronpar. Men viktigheten av denne prosessen i forhold til andre typer spredning som ikke skiller protoner fra nøytroner kan avhenge av den gjennomsnittlige separasjonen mellom nukleoner, som har en tendens til å være større i lette kjerner som helium-3 enn i tyngre kjerner.

Flere målinger med andre lette kjerner vil være nødvendig for å teste denne hypotesen. “Det er klart helium-3 er forskjellig fra håndfull tunge kjerner som ble målt,” sa Arrington. «Nå ønsker vi å presse på for mer presise målinger på annet lys kjerner for å gi et definitivt svar.”

---

---