dvojité magické hľadanie

Tím výskumníkov, vrátane vedcov z Národného supravodivého cyklotrónového laboratória (NSCL) a zo zariadenia pre vzácne izotopové lúče (FRIB) na Michiganskej štátnej univerzite (MSU), vyriešil prípad chýbajúcej hmoty zirkónu-80.

Úprimne povedané, rozbil aj prípad. Experimentalisti ukázali, že zirkónium-80 — atóm zirkónu so 40 protónmi a 40 neutrónmi v jeho jadre, resp. jadroĽahšie, než sa očakávalo, využívajúce jedinečnú schopnosť NSCL vytvárať a analyzovať vzácne izotopy. Potom postúpili teoretici FRIB. mohli tento chýbajúci kus vysvetliť pomocou atómový model a nové štatistické metódy.

„Rozhovor medzi jadrovými teoretikmi a experimentátormi je ako koordinovaný tanec,“ povedal Alec Haymaker, postgraduálny výskumný asistent vo FRIB a prvý autor štúdie, ktorú tím zverejnil 25. novembra v časopise Science. fyzika prírody. „Každý vedie a nasleduje druhého.“

„Niekedy teórie robia predpovede s predstihom a inokedy experimenty nájdu veci, ktoré sa neočakávali,“ povedal Ryan Ringle, vedúci vedec z laboratória FRIB. omša meranie. Ringle je tiež odborným asistentom fyziky na FRIB a na Katedre fyziky a astronómie MSU na Vysokej škole prírodných vied.

„Navzájom sa vytláčajú a výsledkom je lepšie pochopenie jadra, ktoré tvorí v podstate všetko, s čím interagujeme,“ povedal.

Takže tento príbeh je väčší ako jadro. Istým spôsobom je to ukážka sily FRIB, zariadenia pre používateľov jadrovej vedy podporovaného Úradom jadrovej fyziky Úradu pre vedu Ministerstva energetiky USA.

Keď sa budúci rok začnú operácie používateľov, jadroví vedci na celom svete budú mať možnosť pracovať s technológiou FRIB na vytvorení vzácnych izotopov, ktoré by nebolo možné študovať inde. Budú mať tiež príležitosť spolupracovať s odborníkmi z FRIB, aby pochopili výsledky týchto štúdií a ich dôsledky. Tieto znalosti majú rôzne aplikácie, od pomoci vedcom lepšie pochopiť vesmír až po zlepšenie liečby rakoviny.

„Ako sa presunieme do éry FRIB, môžeme merať ako tu a ešte viac,“ povedal Ringley. „Môžeme ísť ďalej. Je tu dostatočný potenciál na to, aby sme sa učili desaťročia.“

To znamená, že samotné zirkónium-80 je veľmi zaujímavým jadrom.

Na začiatok je ťažké vytvoriť jadro, ale tvorba vzácnych jadier je charakteristická pre NSCLC. Zariadenie vyprodukovalo dostatok zirkónu-80, aby umožnilo Ringelovi, Haymakerovi a ich kolegom určiť jeho hmotnosť s bezprecedentnou presnosťou. Na tento účel použili hmotnostný spektrometer Penning Trap v zariadení NSCL Low-Energy-Beam and Ion Trap (LEBIT).

„Ľudia merali túto hmotnosť už predtým, ale nikdy ju nezmerali presne,“ povedal Haymaker. „A to odhalilo zaujímavú fyziku.“

„Keď meriame hmotnosť na tejto presnej úrovni, v skutočnosti meriame množstvo hmoty, ktorá chýba,“ povedal Ringley. „Hmotnosť jadra nie je jednoducho súčtom hmotností jeho protónov a neutrónov. Obsahuje chýbajúcu hmotnosť, ktorá sa javí ako energia, ktorá drží jadro pohromade.“

To je miesto, kde jedna z najznámejších rovníc vedy pomáha vysvetliť veci. E = mc Alberta Einsteina. In², E znamená energiu a M znamená hmotnosť (c je symbol rýchlosti svetla). To znamená, že hmotnosť a energia sú rovnaké, aj keď sa to prejaví iba v extrémnych podmienkach, aké sa nachádzajú v jadre atómu.

Keď má jadro vyššiu väzbovú energiu – čo znamená, že má pevnejšie zadržiavanie protónov a neutrónov – bude mať viac chýbajúca hmota, Toto zirkónium-80 pomáha vysvetliť situáciu. Jeho jadro je pevne zviazané a toto nové meranie odhalilo, že väzba bola ešte silnejšia, ako sa očakávalo.

To znamenalo, že teoretici FRIB museli nájsť vysvetlenie a mohli sa obrátiť na predpovede spred desaťročí, aby pomohli poskytnúť odpovede. Napríklad teoretici predpokladali, že jadro zirkónu-80 môže byť magické.

Zakaždým, určité jadro znižuje svoje požiadavky na hmotnosť tým, že má špecifický počet protónov alebo neutrónov. Fyzici ich označujú ako magické čísla. Teória tvrdila, že zirkónium-80 má špeciálny počet protónov a neutrónov, čo z neho robí dvojnásobnú mágiu.

Skoršie experimenty ukázali, že zirkónium-80 je veľké asi ako ragbyová lopta alebo americký futbal. Teoretici predpovedali, že veľkosť by mohla viesť k tejto dvojitej mágii. Vďaka najpresnejším meraniam hmotnosti zirkónu-80, aké boli kedy vykonané, môžu vedci podporiť tieto myšlienky pevnými údajmi.

„Teoretici pred 30 rokmi predpovedali, že zirkónium-80 má zdeformované dvojité magické jadro,“ povedal Hamemaker. „Experimentátorom trvalo nejaký čas, kým sa naučili tanec a poskytli dôkazy pre teoretikov. Teraz, keď sú dôkazy na mieste, teoretici môžu pracovať na niekoľkých ďalších krokoch v tanci.“

Tanec teda pokračuje a na rozšírenie metafory, NSCL, FRIB a MSU ponúkajú jednu z najlepších tanečných sál na hranie. Môže sa pochváliť jedinečným zariadením, odborným personálom a vysoko hodnoteným absolventským programom jadrovej fyziky v krajine.

„Bol som schopný pracovať na mieste v národnom užívateľskom zariadení na témach, ktoré sú v popredí jadrovej vedy,“ povedal Haymaker. „Táto skúsenosť mi umožnila rozvíjať a učiť sa vzťahy s mnohými zamestnancami a výskumníkmi laboratória. Projekt bol úspešný vďaka mojej oddanosti vede a špičkovým svetovým zariadeniam a vybaveniu v laboratóriu.“