Ίσως είναι δυνατό να στριμώξουμε περισσότερα νετρόνια στους ατομικούς πυρήνες από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως

Μια νέα μορφή νατρίου - το στοιχείο που συνδυάζεται με το χλώριο για να κάνει το αλάτι - συσσωρεύει 28 νετρόνια στον ατομικό του πυρήνα, μαζί με τα 11 πρωτόνια που καθορίζουν τη χημική του ταυτότητα. Με περισσότερα από τα διπλάσια από τα 12 νετρόνια στο φυσικό νάτριο, το πλούσιο σε νετρόνια ισότοπο του στοιχείου είναι τόσο ακραίο που λίγα θεωρητικά μοντέλα προέβλεψαν την ύπαρξή του. «Είναι έκπληξη το γεγονός ότι αυτά τα νετρόνια συνεχίζουν να μένουν», λέει η Katherine Grzywacz-Jones, πυρηνική φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Tennessee, Knoxville, η οποία δεν συμμετείχε στην εργασία.

Ερευνητές του Κέντρου RIKEN Nishina της Ιαπωνίας για Επιστήμη που βασίζεται σε Επιταχυντές δημιούργησαν μόνο μια χούφτα πυρήνων νατρίου-39. Αλλά και μόνο η ύπαρξή τους προκαλεί την κατανόηση των φυσικών για την πυρηνική δομή. Υποδηλώνει επίσης ότι η ανίχνευση της διαδικασίας με την οποία τα αστέρια που εκρήγνυνται σφυρηλατούν πολλά στοιχεία—ένας στόχος μιας σημαντικής νέας εγκατάστασης στις Ηνωμένες Πολιτείες—μπορεί να είναι πιο δύσκολη από όσο πιστεύαμε.

Πριν από τρία χρόνια, ένα πείραμα με τον επιταχυντή σωματιδίων του κέντρου RIKEN, ένα υπεραγώγιμο κυκλότρον που ονομάζεται Radioactive Isotope Beam Factory, παρήγαγε μια δελεαστική ένδειξη ενός και μόνο πυρήνα νατρίου-39. «Ως εκ τούτου, επαναλάβαμε το πείραμα με πολύ μεγαλύτερη ένταση δέσμης και μεγαλύτερο χρόνο δέσμης», λέει ο Toshiyuki Kubo, ένας πυρηνικός φυσικός RIKEN.

Η 26μελής ομάδα του Kubo εκτόξευσε μια δέσμη πυρήνων ασβεστίου-48 μέσα από έναν στόχο βηρυλλίου για να τους τεμαχίσει και διοχέτευσε τα θραύσματα μέσα από μια φιδίσια αλυσίδα μαγνητών που ονομάζεται BigRIPS. Οι ερευνητές συντόνισαν ότι το σικάνι έτσι μόνο το νάτριο-39 ή ένας πυρήνας με παρόμοια αναλογία μάζας προς φορτίο θα μπορούσε να περάσει σλάλομ. Η ενέργεια που εναποτέθηκε ένας πυρήνας σε έναν ανιχνευτή στο τέλος αποκάλυψε το φορτίο του. Από το φορτίο και τη μάζα, ο Kubo και οι συνεργάτες του μπορούσαν εύκολα να υπολογίσουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια ενός πυρήνα. Εκτοξεύοντας 500 τετρασεκατομμύρια πυρήνες ασβεστίου-48 μέσω του στόχου, κατασκόπησαν εννέα πυρήνες νατρίου-39, αναφέρουν σε ένα έγγραφο που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters .

Η πρόβλεψη των συνδυασμών πρωτονίων και νετρονίων που θα συνδεθούν σε έναν πυρήνα μπορεί να είναι δύσκολη. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια κολλάνε μεταξύ τους ανταλλάσσοντας σωματίδια που ονομάζονται πιόνια και ένα κβαντομηχανικό φαινόμενο ευνοεί τους πυρήνες με παρόμοιο αριθμό πρωτονίων και νετρονίων. Αλλά τα ηλεκτρικά φορτισμένα πρωτόνια απωθούν το ένα το άλλο, γέρνοντας την ισορροπία προς λιγότερα πρωτόνια. Οι πυρήνες ποικίλλουν επίσης από ένα μόνο πρωτόνιο έως εκατοντάδες πρωτόνια και νετρόνια και διαφορετικές θεωρητικές προσεγγίσεις τείνουν να λειτουργούν καλύτερα σε διαφορετικές περιοχές μάζας.

«Μακράν τα περισσότερα μοντέλα δεν προέβλεψαν ότι το νάτριο-39 θα έπρεπε να είναι δεσμευμένο», λέει ο Μπραντ Σέριλ, πυρηνικός φυσικός στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν και συγγραφέας της εφημερίδας. Ωστόσο, πριν από 2 χρόνια, ο Witold Nazarewicz, ένας πυρηνικός θεωρητικός στην Πολιτεία του Μίσιγκαν, και οι συνεργάτες του προσπάθησαν να προβλέψουν όλους τους πιθανούς πυρήνες υπολογίζοντας τον μέσο όρο των προβλέψεων μοντέλων, ο καθένας σταθμισμένος από την αβεβαιότητα του. Αυτό έδωσε μια πιθανότητα 50% ότι το νάτριο-39 θα υπήρχε. «Είναι εκπληκτικό το αποτέλεσμα [RIKEN];» λέει ο Nazarewicz. "Οχι. Είναι σημαντικό? Ναι."

Προσθέτει μια σημαντική λεπτομέρεια στο πυρηνικό τοπίο, λέει. Οι φυσικοί σχεδιάζουν γνωστούς και προβλεπόμενους πυρήνες σε έναν χάρτη που μοιάζει με σκακιέρα, με τον αριθμό των πρωτονίων να σκαρφαλώνουν κάθετα και τον αριθμό των νετρονίων να αυξάνεται από αριστερά προς τα δεξιά. Οι πυρήνες σχηματίζουν μια ευρεία λωρίδα διαγώνια κατά μήκος του χάρτη, του οποίου το κάτω άκρο ονομάζεται γραμμή στάλαξης νετρονίων. Σηματοδοτεί το όριο στο οποίο είναι αδύνατο να συσσωρευτούν περισσότερα νετρόνια σε έναν πυρήνα με δεδομένο αριθμό πρωτονίων. Και είναι γνωστό μόνο μέχρι νέον, στοιχείο 10.

Η γραμμή στάγδην νετρονίων έχει επιφυλάξει εκπλήξεις στο παρελθόν. Για παράδειγμα, πηδά από 16 νετρόνια για οξυγόνο (στοιχείο 8) σε 22 νετρόνια για φθόριο (στοιχείο 9). Για να εξηγήσουν αυτό το άλμα, οι θεωρητικοί έπρεπε να συμπεριλάβουν δυνάμεις όχι μόνο μεταξύ των ζευγών πρωτονίων και νετρονίων σε έναν πυρήνα, αλλά και μεταξύ των τριών, λέει ο Sherrill. Κάποια άλλη παραμελημένη φυσική μπορεί να εξηγήσει γιατί η γραμμή σταγόνων φαίνεται να εκτοξεύεται κατά τέσσερα νετρόνια από το νέον-34 στο νάτριο-39.

Τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να περιπλέξουν έναν στόχο για τους φυσικούς. Τα μισά από όλα τα στοιχεία βαρύτερα από τον σίδηρο προκύπτουν από εκρήξεις σουπερνόβα, καθώς οι πυρήνες απορροφούν γρήγορα τα νετρόνια που αναβλύζουν από την έκρηξη, ακόμη και όταν υφίστανται επανειλημμένα ραδιενεργό βήτα διάσπαση - κατά την οποία ένα νετρόνιο σε έναν πυρήνα φτύνει ένα ηλεκτρόνιο και μετατρέπεται σε πρωτόνιο. Ο ακριβής εντοπισμός των πυρήνων στη διαδικασία αποτελεί προτεραιότητα για έναν νέο γραμμικό επιταχυντή 730 εκατομμυρίων δολαρίων που ονομάζεται Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) στο Μίσιγκαν. Εάν η γραμμή στάλαξης βρίσκεται πιο μακριά, αυτοί οι πυρήνες μπορεί να περιέχουν περισσότερα νετρόνια και να είναι πιο δύσκολο να κατασκευαστούν, λέει ο Sherrill.

Τα πρώτα αποτελέσματα από το FRIB, το οποίο άνοιξε τον Μάιο, εξετάζουν πυρήνες κοντά στο νάτριο-39. Οι ερευνητές εκεί τεμάχισαν επίσης μια δέσμη ασβεστίου-48 για να δημιουργήσουν ισότοπα μαγνησίου, αλουμινίου, πυριτίου και φωσφόρου πλούσια σε νετρόνια -τα στοιχεία που ακολουθούν το νάτριο- και μέτρησαν πόσο γρήγορα βήτα αποσυντίθενται, αναφέρει η ομάδα σε μια εφημερίδα που εκδόθηκε στο Επιστολές φυσικής ανασκόπησης . Σε μια άλλη πληροφορία για την ενημέρωση των μοντέλων, ο χρόνος ημιζωής του μαγνησίου-38 ήταν εκπληκτικά σύντομος, λέει η Heather Crawford, πυρηνική φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley και επικεφαλής συγγραφέας.

Για το πείραμα του Crawford, το FRIB παρήγαγε μια δέσμη κατά το ένα δωδέκατο τόσο έντονη όσο αυτή στη μελέτη RIKEN. Σε λίγα χρόνια, το FRIB θα αυξήσει την ένταση της δέσμης του 400 φορές, καθιστώντας δυνατή την ανίχνευση της γραμμής σταγόνας νετρονίων πιο ψηλά στον χάρτη, σημειώνει ο Crawford. "Καθώς το FRIB ανεβαίνει στην ισχύ, αυτό είναι ένα από τα πρώτα πράγματα που αναμένω ότι θα επιδιωχθεί."