Πόσα νετρόνια μπορείτε να στριμώξετε σε ένα άτομο; Περισσότερο από όσο νόμιζαν οι φυσικοί

Οι φυσικοί στην Ιαπωνία έχουν ανατινάξει τους βαρύτερους πυρήνες ασβεστίου που έχουν δει ποτέ - ο καθένας περιέχει τα 20 πρωτόνια που απαιτούνται για την κατασκευή του στοιχείου, αλλά με έναν τεράστιο αριθμό -40- νετρονίων. Αυτό είναι διπλάσια νετρόνια από ό,τι στην πιο κοινή μορφή του ασβεστίου και ένα δύο περισσότερα από το προηγούμενο ρεκόρ. Το εύρημα υποδηλώνει ότι μπορεί να είναι δυνατό να συσσωρευτούν ακόμη περισσότερα νετρόνια σε πυρήνες από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως, και θα μπορούσε να έχει επιπτώσεις στη θεωρία των άστρων νετρονίων.

«Αυτό είναι πράγματι ένα σημαντικό και ενδιαφέρον εύρημα», λέει ο Daniel Phillips, θεωρητικός πυρηνικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο στην Αθήνα. Τα μοντέλα της πυρηνικής δομής των φυσικών συντονίζονται σε πιο κοινούς πυρήνες με περίπου ίσο αριθμό πρωτονίων και νετρονίων, λέει, και οι επιστήμονες πρέπει να γνωρίζουν πόσο σφάλλουν αυτές οι θεωρίες καθώς τις προεκτείνουν σε πυρήνες με πιο μονόπλευρες αναλογίες πρωτονίων και νετρονίων. /P>

Ο ατομικός πυρήνας αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια που συγκρατούνται μεταξύ τους από την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Ο αριθμός των πρωτονίων καθορίζει την ταυτότητα ενός ατόμου ως χημικού στοιχείου. ο αριθμός των νετρονίων καθορίζει το ισότοπο αυτού του στοιχείου. Τα σχολικά βιβλία συχνά απεικονίζουν έναν πυρήνα καθώς τόσα πολλά πρωτόνια και νετρόνια είναι κολλημένα μεταξύ τους σαν σταγόνες τσίχλας, αλλά οι πραγματικοί πυρήνες είναι πολύ πιο περίπλοκοι. Αν και είναι κατασκευασμένος από διακριτά σωματίδια, ο μέσος πυρήνας δρα περισσότερο σαν μια σταγόνα υγρού με επιφανειακή τάση. Ταυτόχρονα, ωστόσο, οι πυρήνες έχουν κελύφη αφηρημένης κβαντικής ενέργειας και μπορούν να είναι πιο στενά συνδεδεμένοι όταν έχουν μαγικούς αριθμούς πρωτονίων ή νετρονίων που γεμίζουν αυτά τα κελύφη—όπως, σε μεγαλύτερη κλίμακα, τα άτομα είναι πιο αδρανή όταν έχουν γεμίσει κελύφη των ηλεκτρονίων. Επιπλέον, τα πρωτόνια και τα νετρόνια μπορούν να σχηματίσουν φευγαλέα ζεύγη και τρίο που αλλάζουν επίσης τις ιδιότητες και τη σταθερότητα ενός πυρήνα.

Οι θεωρητικοί χρησιμοποιούν διαφορετικά μοντέλα για να εξηγήσουν αυτές τις ανταγωνιστικές συμπεριφορές. Για σχετικά ελαφρούς πυρήνες, τα μοντέλα ab initio αντιμετωπίζουν τις αλληλεπιδράσεις μεμονωμένων πρωτονίων και νετρονίων κατά μέτωπο. Αλλά τέτοια μοντέλα βαλτώνουν για βαρύτερους πυρήνες, έτσι οι θεωρητικοί χρησιμοποιούν πιο προσεγγιστικά μοντέλα που βασίζονται σε «συναρτήσεις πυκνότητας» που αντιμετωπίζουν την κατανομή των πρωτονίων και των νετρονίων ως συνεχείς μεταβλητές. Τα δεκάδες τέτοια μοντέλα μπορεί να διαφωνούν σε πράγματα τόσο βασικά, όπως πόσα νετρόνια θα κολλήσουν σε έναν πυρήνα, ένα όριο που οι φυσικοί συχνά οραματίζονται σε ένα γράφημα που μοιάζει με πλέγμα. Στο διάγραμμα, που δείχνει τον αριθμό των πρωτονίων στον κατακόρυφο άξονα και τον αριθμό των νετρονίων στον οριζόντιο άξονα, οι γνωστοί και προβλεπόμενοι πυρήνες σχηματίζουν μια λωρίδα σε σχήμα τουρσί της οποίας το κάτω όριο σηματοδοτεί τη "γραμμή στάλαξης νετρονίων":ο μέγιστος αριθμός νετρονίων ένας πυρήνας μπορεί να κρατήσει. Οι φυσικοί δεν γνωρίζουν ακριβώς πού βρίσκεται η γραμμή σταγόνας.

Τώρα, μια ομάδα 30 μελών από το εργαστήριο RIKEN της Ιαπωνίας στο Wako και το Michigan State University (MSU) στο East Lansing έχουν δημιουργήσει μια παρτίδα νέων πυρήνων πλούσιων σε νετρόνια που υποδηλώνουν ότι η γραμμή σταγόνων είναι πιο μακριά από ό, τι προβλέπουν πολλές θεωρίες, ανέφεραν την περασμένη εβδομάδα. στο Επιστολές φυσικής ανασκόπησης . Η ομάδα κυνηγούσε στη γειτονιά του ασβεστίου, επειδή ο μαγικός αριθμός των πρωτονίων της την εμποτίζει ήδη με ισχυρότερη δέσμευση, λέει η Alexandra Gade, πειραματίστρια στο MSU.

Χρησιμοποιώντας το εργοστάσιο ακτίνων ραδιενεργών ισοτόπων του RIKEN, οι ερευνητές διέλυσαν βαρείς πυρήνες ψευδαργύρου εκτοξεύοντας μια δέσμη από αυτούς μέσα από έναν στόχο βηρυλλίου. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν έναν εξαιρετικά ακριβή μαγνητικό διαχωριστή για να ταξινομήσουν την τεράστια σειρά πυρήνων στα συντρίμμια. Συνολικά, η ομάδα παρήγαγε οκτώ νέους πυρήνες πλούσιους σε νετρόνια, συμπεριλαμβανομένων των ασβεστίου-59 και ασβεστίου-60, με 39 και 40 νετρόνια, αντίστοιχα. Για να παράγουν δύο πυρήνες ασβεστίου-60, οι ερευνητές έπρεπε να εκτοξεύσουν 200 τετράδα δισεκατομμύρια πυρήνες ψευδαργύρου στον στόχο.

Τα νέα αποτελέσματα φαίνεται να σκοντάφτουν τα μοντέλα ab initio, τα οποία γενικά προβλέπουν ότι το ασβέστιο-60 δεν πρέπει να υπάρχει. Στην πραγματικότητα, τα δεδομένα υποδηλώνουν ότι μπορεί να είναι δυνατό να δημιουργηθούν πυρήνες ασβεστίου με ακόμη περισσότερα νετρόνια, λέει ο Gade. Από τα 35 μοντέλα που συνέκριναν οι ερευνητές, τα δύο που ταιριάζουν καλύτερα με όλα τα νέα δεδομένα προβλέπουν ότι το ισότοπο ασβεστίου υπάρχει μέχρι το ασβέστιο-70, το οποίο θα είχε 50 νετρόνια.

Ο Gade προειδοποιεί να μην κάνετε σαρωτικές γενικεύσεις σχετικά με τη γραμμή σταγόνων. Ωστόσο, ο Phillips λέει ότι ελπίζει ότι τα αποτελέσματα θα περιορίσουν καλύτερα τη γραμμή σταγόνων, ώστε οι πειραματιστές να μην χρειάζεται απλώς να το αισθάνονται. «Σίγουρα ελπίζω ότι δεν είναι θέμα να πηγαίνουμε στοιχείο προς στοιχείο», λέει. Εκτός από τη θεμελιώδη σημασία της, η θέση της γραμμής σταγόνας θα μπορούσε να έχει επιπτώσεις στην αστροφυσική των άστρων νετρονίων. Για παράδειγμα, οι διεργασίες στον φλοιό αυτών των αστρικών υπολειμμάτων πιστεύεται ότι παράγουν πυρήνες πλούσιους σε νετρόνια μέχρι τη γραμμή σταγόνας, λέει ο Gade, οπότε οι ακριβείς ιδιότητες και η δομή των απίστευτα πυκνών άστρων θα μπορούσαν να εξαρτηθούν από τις λεπτομέρειες της γραμμής σταγόνας.

Οι πειραματιστές ελπίζουν να βρουν ακόμη βαρύτερα ισότοπα ασβεστίου και να δημιουργήσουν αρκετούς πυρήνες για να μελετήσουν και τις ιδιότητες. Τέτοιες μελέτες θα μπορούσαν να γίνουν πιο εύκολες το 2022 όταν η MSU ολοκληρώσει τον νέο επιταχυντή της 730 εκατομμυρίων δολαρίων, την Εγκατάσταση για Σπάνιες Ισότοπες Δέσμες (FRIB), που θα είναι ακόμη πιο ισχυρός από το μηχάνημα του RIKEN. "Κοιτάξαμε τους υπολογισμούς και [στο FRIB] θα μπορούσαμε να δούμε ασβέστιο-68 και ασβέστιο-70", λέει ο Gade, "αν υπάρχουν."