Mirando núcleos de espejo, los físicos ven pares inesperados

Crédito: Jenny Noss/Berkeley Lab

El núcleo atómico es un lugar lleno de gente. Los protones y sus neutrones constituyentes a veces chocan, alejándose unos de otros con un gran empuje antes de unirse de nuevo como los extremos de una banda elástica estirada. Usando una nueva técnica, los físicos que estudian estas colisiones energéticas en núcleos ópticos han encontrado algo sorprendente: los protones chocan con protones y los neutrones con sus compañeros neutrones con más frecuencia de lo esperado.

El descubrimiento fue realizado por un equipo internacional de científicos, incluidos investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Laboratorio de Berkeley), utilizando la Instalación de Aceleración de Haz de Electrones Continuos en la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía (Laboratorio de Jefferson) en Virginia. Así lo afirmó en un artículo publicado hoy en la revista templar la naturaleza.

Comprender estas colisiones es importante para interpretar datos en una amplia variedad de experimentos de física que estudian partículas elementales. También ayudará a los físicos a comprender la estructura. neutrón Estrellas: los núcleos colapsados ​​de estrellas gigantes que se encuentran entre las formas de materia más densas del universo.

John Arrington, científico de Berkeley Lab, es uno de los cuatro oradores de la colaboración, y Shuji Lee, el autor principal del artículo, es investigador postdoctoral en Berkeley Lab. Ambos están ubicados en el Departamento de Ciencias Nucleares en Berkeley Lab.

Diagrama que muestra la dispersión de electrones de alta energía desde un núcleo unido en un núcleo de espejo de tritio (izquierda) y helio-3 (derecha). Un electrón intercambia un fotón virtual con uno de los nucleones de enlace, expulsándolo del núcleo y permitiendo que escape su compañero activo. Ambos pares de núcleos, mientras que el tritio (helio-3) tiene un par nn (pp). Crédito: Jenny Noss/Berkeley Lab

Los protones y los neutrones, las partículas que forman los núcleos atómicos, se denominan colectivamente nucleones. En experimentos anteriores, los físicos estudiaron colisiones binucleares energéticas en un puñado de núcleos que van desde el carbono (con 12 núcleos) hasta el plomo (con 208). Los resultados fueron consistentes: las colisiones protón-neutrón constituyeron casi el 95% de todas las colisiones, y las colisiones protón-protón-neutrón-neutrón constituyeron el 5% restante.

El nuevo experimento en el laboratorio de Jefferson estudió las colisiones en dos «núcleos espejo» de tres nucleones cada uno, y descubrió que las colisiones de un protón, un protón, un neutrón y un neutrón eran responsables de una proporción mucho mayor del total: alrededor del 20 %. . «Queríamos una medición significativamente más precisa, pero no esperábamos que fuera significativamente diferente», dijo Arrington.

Usar una colisión para estudiar otra

Los núcleos atómicos a menudo se representan como grupos apretados de protones y neutrones pegados, pero estos núcleos en realidad están orbitando constantemente entre sí. «Es similar al sistema solar, pero mucho más poblado», dijo Arrington. En la mayoría de los núcleos, los nucleones pasan alrededor del 20% de sus vidas en estados excitados de alto momento resultantes de colisiones diploides.

Para estudiar estas colisiones, los físicos aturden los núcleos con haces de electrones de alta energía. Al medir la energía y el ángulo de rebote de un electrón disperso, pueden inferir qué tan rápido debe moverse el núcleo que golpean. «Es como la diferencia entre hacer rebotar una pelota de tenis de mesa en un parabrisas en movimiento o en un parabrisas fijo», dijo Arrington. Esto les permite identificar eventos en los que se dispersa un electrón de un protón de alto momento que chocó recientemente con otro nucleón.

En estas colisiones entre un electrón y un protón, el electrón entrante acumula suficiente energía para expulsar completamente al protón ya excitado del núcleo. Esto rompe la interacción similar a una banda elástica que generalmente predomina en el par de nucleones excitados, por lo que el segundo nucleón también escapa del núcleo.

En estudios previos de colisiones de dos cuerpos, los físicos se centraron en los eventos de dispersión en los que detectaron el rebote de electrones junto con cada uno de los nucleones expulsados. Distinguiendo todas las partículas, pueden calcular el número relativo de pares protón-protón y pares protón-neutrón. Pero tales eventos de «triple coincidencia» son relativamente raros, y el análisis habría requerido una cuidadosa cuenta de las interacciones adicionales entre los nucleones que podrían distorsionar el recuento.

Los núcleos de espejo mejoran la precisión

Los autores del nuevo trabajo encontraron una forma de determinar el número relativo de pares protón-protón-neutrón sin detectar los nucleones expulsados. El truco consistía en medir la dispersión de dos «núcleos espejo» con el mismo número de nucleones: tritio, un raro isótopo de hidrógeno con un protón y dos neutrones, y helio-3, que tiene dos protones y un neutrón. El helio-3 se parece al tritio con protones y neutrones intercambiados, y esta simetría ha permitido a los físicos distinguir las colisiones que involucran protones de las que involucran neutrones al comparar sus dos conjuntos de datos.

El esfuerzo del núcleo del espejo comenzó después de que los físicos del Laboratorio Jefferson diseñaran planes para desarrollar una celda de gas de tritio para experimentos de dispersión de electrones, el primer uso de este tipo de este isótopo raro y temperamental en décadas. Arrington y sus colaboradores vieron una oportunidad única de estudiar las colisiones de dos cuerpos dentro del núcleo de una manera nueva.

El nuevo experimento pudo recopilar muchos más datos que los experimentos anteriores porque el análisis no requirió eventos raros de triple coincidencia. Esto permitió al equipo mejorar diez veces la precisión de las mediciones anteriores. No tenían motivos para esperar que las colisiones de nucleones funcionaran de manera diferente en el tritio y el helio-3 que en los núcleos más pesados, por lo que los resultados fueron toda una sorpresa.

Los misterios de la fuerza fuerte permanecen

La fuerza nuclear fuerte se entiende bien en el nivel más básico, gobernando partículas subatómicas llamadas quarks y gluones. Pero a pesar de estos fundamentos bien establecidos, las interacciones de partículas complejas como los nucleones son difíciles de explicar. Estos detalles son importantes para el análisis de datos en experimentos de alta energía que estudian quarks, gluones y otras partículas elementales como los neutrinos. También es relevante cómo interactúan los nucleones en las condiciones extremas que prevalecen en las estrellas de neutrones.

Arrington tiene una conjetura sobre lo que podría pasar. El proceso de dispersión predominante ocurre solo dentro de los núcleos. protónpares de neutrones. Pero la importancia de este proceso para otros tipos de dispersión que no distinguen protones De neutrones Puede depender de la separación media de nucleones, que tiende a ser mayor en núcleos ligeros como el helio-3 que en núcleos más pesados.

Se necesitarán más mediciones utilizando otros núcleos fotónicos para probar esta hipótesis. «El helio-3 es claramente diferente del puñado de núcleos pesados ​​que se han medido», dijo Arrington. “Ahora queremos impulsar mediciones más precisas en otras luces centro para una respuesta definitiva.


Nuevos experimentos de dispersión profunda inelástica miden dos núcleos de espejo


más información:
John Arrington, revela la estructura de corto alcance de los núcleos de espejo 3H y 3He, templar la naturaleza (2022). DOI: 10.1038 / s41586-022-05007-2. www.nature.com/articles/s41586-022-05007-2

La frase: Mirando núcleos espejo, los físicos ven pares inesperados (31 de agosto de 2022) Obtenido el 31 de agosto de 2022 de https://phys.org/news/2022-08-particles-pair-partners- differently-small.html

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