Dvojitý magický objev

Tým výzkumníků, včetně vědců z National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) a Rare Isotope Bundles (FRIB) Facility na Michigan State University (MSU), vyřešil problém chybějící hmoty zirkonia 80.

Abychom byli spravedliví, rozbili případ také. Experimentátoři ukázali, že atom zirkonia-80 a zirkonia obsahuje ve svém jádru 40 protonů a 40 neutronů, popř. jádro– Lehčí, než se očekávalo, využívající jedinečnou schopnost NSCL tvořit a analyzovat vzácné izotopy. Poté teoretici FRIB dokázali vysvětlit tento chybějící kousek pomocí Advanced jaderné modely a nové statistické metody.

„Interakce mezi jadernými a experimentálními teoretiky je jako koordinovaný tanec,“ řekl Alec Hamker, vědecký asistent postgraduálního studenta na FRIB a první autor studie publikované týmem 25. listopadu v časopise. Přírodní fyzika. „Střídají se na sobě a následují druhého.“

„Někdy teorie dělá předpovědi brzy, jindy experimenty najdou věci, které se neočekávaly,“ řekl Ryan Ringel, hlavní vědec FRIB, který byl ve skupině, která vyráběla zirkonium-80. Hmotnost Měření. Ringel je také mimořádným docentem fyziky na katedře fyziky a astronomie MSU na Vysoké škole přírodních věd na FRIB a MSU.

„Navzájem se tlačí a to vede k lepšímu pochopení jádra, což je v podstatě vše, s čím interagujeme,“ řekl.

Takže tento příběh je větší než jediné jádro. Svým způsobem je to ukázka FRIB, uživatelského zařízení pro jadernou vědu podporovaného Úřadem jaderné fyziky Ministerstva energetiky USA, Úřadem pro vědu.

Až příští rok zahájí provoz uživatelů, jaderní vědci z celého světa dostanou příležitost pracovat s technologií FRIB a vytvořit vzácné izotopy, které by jinde nebylo možné studovat. Budou mít také příležitost spolupracovat s odborníky z FRIB, aby pochopili výsledky a důsledky těchto studií. Tyto znalosti mají řadu aplikací, od pomoci vědcům lépe porozumět vesmíru až po zlepšení léčby rakoviny.

„Jak postupujeme v éře FRIB, můžeme provádět měření jako zde a mnohem více,“ řekl Ringel. „Můžeme jít dál. Je zde dost kapacity, abychom se mohli učit po celá desetiletí.“

Nicméně zirkonium-80 je opravdu zajímavé jádro samo o sobě.

Pro začátek je to tvrdé jádro, ale vytváření vzácných jader je specialitou NSCL. Zařízení produkovalo dostatek zirkonia-80, aby umožnilo Ringelovi, Hammakerovi a jejich kolegům určit jeho hmotnost s bezprecedentní přesností. K tomu použili to, co je známé jako hmotnostní spektrometr Penningovy pasti v zařízení NSCL na nízkoenergetické paprsky a ionty (LEBIT).

„Lidé tuto hmotnost měřili již dříve, ale nezměřili ji přesně,“ řekl Hamaker. „A to odhalilo zajímavou fyziku.“

„Když provádíme měření hmotnosti na této přesné úrovni, ve skutečnosti měříme, kolik hmoty chybí,“ řekl Ringel. „Hmotnost jádra není jen součet hmotnosti protonů a neutronů v něm. Chybí hmotnost, která se objevuje jako energie držící jádro pohromadě.“

To je místo, kde jedna z nejslavnějších vědeckých rovnic pomáhá vysvětlit věci. v E = mc², písmeno E znamená energii a m znamená hmotnost (c je symbol pro rychlost světla). To znamená, že hmotnost a energie jsou ekvivalentní, i když to lze pozorovat pouze v extrémních podmínkách, jako jsou ty v jádře atomu.

Když má jádro větší vazebnou energii – to znamená, že má větší sílu ve svém tření s protony a neutrony – bude mít více chybějící hmota. To pomáhá vysvětlit stav zirkonia-80. Jejich jádra jsou pevně spojena a toto nové měření odhalilo, že spojení bylo silnější, než se očekávalo.

To znamená, že teoretici FRIB museli najít vysvětlení a mohou se obrátit na předpovědi z doby před desítkami let, aby pomohli poskytnout odpověď. Teoretici například tušili, že jádro zirkonia-80 by mohlo být magické.

Tu a tam určité jádro naruší svou předpověď hmotnosti tím, že má speciální počet protonů nebo neutronů. Fyzici se odvolávají na tato magická čísla. Teorie předpokládala, že zirkonium-80 obsahuje zvláštní počet protonů a neutronů, což z něj činí dvojnásobnou magii.

Předchozí experimenty ukázaly, že zirkonium 80 připomíná spíše ragbyový míč nebo americký fotbal než svůj kulovitý tvar. Teoretici předpověděli, že tvar by mohl vést k těmto dvojím magiím. S dosud nejpřesnějším měřením hmotnosti zirkonia-80 mohou vědci tyto myšlenky podložit solidními daty.

„Teoretici spekulovali, že zirkonium-80 bylo před více než 30 lety dvojitě začarované deformované jádro,“ řekl Hammer. „Trvalo nějakou dobu, než se experimentátoři naučili tanec a poskytli důkazy teoretikům. Nyní, když jsou důkazy na místě, mohou teoretici provést několik dalších kroků do tance.“

Tanec tedy pokračuje a pro rozšíření metafory nabízí NSCL, FRIB a MSU jeden z nejlepších tanečních sálů, ve kterých si můžete zahrát. Může se pochlubit jedinečným zařízením, odborným personálem a vysoce hodnoceným absolventským programem jaderné fyziky v zemi.

„Jsem schopen pracovat na místě v národním uživatelském zařízení na tématech, která jsou v popředí jaderné vědy,“ řekl Hamaker. „Tato zkušenost mi umožnila rozvíjet vztahy a učit se od mnoha zaměstnanců a výzkumných pracovníků laboratoře. Projekt byl úspěšný díky jejich oddanosti přední světové vědě laboratoře, zařízením a vybavení.“