Dubbele magische ontdekking

Een team van onderzoekers, waaronder wetenschappers van het National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) en de Rare Isotope Bundles (FRIB) Facility aan de Michigan State University (MSU), heeft het probleem van de ontbrekende massa van zirkonium 80 opgelost.

Om eerlijk te zijn, hebben ze de zaak ook verbroken. Onderzoekers toonden aan dat zirkonium-80 een zirkoniumatoom 40 protonen en 40 neutronen in zijn kern bevat, of kern— Lichter dan verwacht, gebruikmakend van het ongeëvenaarde vermogen van NSCL om zeldzame isotopen te vormen en te analyseren. Toen konden FRIB-theoretici dat ontbrekende stuk verklaren met Advanced nucleaire modellen en nieuwe statistische methoden.

“De interactie tussen nucleaire en experimentele theoretici is als een gecoördineerde dans”, zegt Alec Hammer, een onderzoeksassistent-student aan de FRIB en eerste auteur van de studie die op 25 november door het team in het tijdschrift is gepubliceerd. Natuurfysica. “Ze wisselen elkaar af en volgen de ander.”

“Soms doet de theorie al vroeg voorspellingen, soms vinden experimenten dingen die niet werden verwacht”, zegt Ryan Ringel, hoofdwetenschapper van FRIB, die deel uitmaakte van de groep die zirkonium-80 maakte. Massa Meting. Ringel is ook een adjunct universitair hoofddocent natuurkunde aan de FRIB en de afdeling Fysica en Sterrenkunde van de MSU aan het College of Natural Sciences.

“Ze duwen elkaar en dat leidt tot een beter begrip van de kern, wat eigenlijk alles is waarmee we communiceren”, zei hij.

Dit verhaal is dus groter dan een enkele kern. In zekere zin is het een voorproefje van FRIB, een gebruikersfaciliteit voor nucleaire wetenschap die wordt ondersteund door het Office of Nuclear Physics, Office of Science van het Amerikaanse Department of Energy.

Wanneer gebruikersactiviteiten volgend jaar beginnen, zullen nucleaire wetenschappers van over de hele wereld de kans krijgen om met FRIB-technologie te werken om zeldzame isotopen te creëren die elders onmogelijk te bestuderen zouden zijn. Ze krijgen ook de kans om met FRIB-experts samen te werken om de resultaten en implicaties van die onderzoeken te begrijpen. Deze kennis heeft een scala aan toepassingen, van het helpen van wetenschappers om het universum beter te begrijpen tot het verbeteren van kankerbehandelingen.

“Terwijl we verder gaan in het FRIB-tijdperk, kunnen we metingen doen zoals we hier deden en nog veel meer”, zei Ringel. “We kunnen verder gaan. Er is hier genoeg capaciteit om tientallen jaren te blijven leren.”

Zirkonium-80 is op zichzelf echter een heel interessante kern.

Om te beginnen is het een harde kern, maar het maken van zeldzame kernen is een specialiteit van NSCL. De faciliteit produceerde genoeg zirkonium-80 om Ringel, Hammaker en hun collega’s in staat te stellen de massa met ongekende nauwkeurigheid te bepalen. Om dit te doen, gebruikten ze een zogenaamde Penning trap-massaspectrometer in de Low Energy Beam and Ion Trap (LEBIT) -faciliteit van NSCL.

“Mensen hebben deze massa eerder gemeten, maar ze hebben het niet nauwkeurig gemeten”, zei Hamaker. “En dat onthulde een aantal interessante fysica.”

“Als we massametingen doen op dit exacte niveau, meten we eigenlijk hoeveel massa er ontbreekt,” zei Ringel. “De massa van de kern is niet alleen de som van de massa van de protonen en neutronen erin. Er is een ontbrekende massa die verschijnt als de energie die de kern bij elkaar houdt.”

Dit is waar een van de beroemdste wetenschappelijke vergelijkingen helpt om dingen te verklaren. in E = mc², staat de letter E voor energie en m staat voor massa (c is het symbool voor de lichtsnelheid). Dit betekent dat massa en energie equivalent zijn, hoewel dit alleen kan worden waargenomen in extreme omstandigheden, zoals die in de kern van een atoom.

Wanneer een kern meer bindingsenergie heeft – wat betekent dat hij meer kracht heeft in zijn wrijving met protonen en neutronen – zal hij meer hebben ontbrekende massa. Dit helpt de toestand van zirkonium-80 te verklaren. Hun kernen zijn nauw met elkaar verbonden en uit deze nieuwe meting bleek dat de associatie sterker was dan verwacht.

Dit betekent dat FRIB-theoretici een verklaring hebben moeten vinden en zich kunnen wenden tot voorspellingen van decennia geleden om een ​​antwoord te bieden. Theoretici vermoedden bijvoorbeeld dat een zirkonium-80-kern magisch zou kunnen zijn.

Af en toe breekt een bepaalde kern zijn massavoorspelling door een speciaal aantal protonen of neutronen te hebben. Natuurkundigen verwijzen naar deze magische getallen. De theorie ging ervan uit dat zirkonium-80 een speciaal aantal protonen en neutronen bevat, waardoor het dubbel magisch is.

Eerdere experimenten hebben aangetoond dat zirkonium 80 meer lijkt op een rugbybal of American football dan op zijn bolvorm. Theoretici hebben voorspeld dat vorm tot deze dubbele magie zou kunnen leiden. Met de meest nauwkeurige meting van de massa van zirkonium-80 tot nu toe, kunnen wetenschappers deze ideeën ondersteunen met solide gegevens.

“Theoretici speculeerden dat zirkonium-80 meer dan 30 jaar geleden een dubbel betoverde vervormde kern was,” zei Hammer. “Het kostte wat tijd voor experimentatoren om de dans te leren en het bewijs voor theoretici te leveren. Nu het bewijs aanwezig is, kunnen theoretici de volgende paar stappen in de dans zetten.”

Dus de dans gaat door, en om de metafoor uit te breiden, bieden NSCL, FRIB en MSU een van de beste balzalen om in te spelen. Het beschikt over een unieke faciliteit, deskundig personeel en het best gerangschikte Nuclear Physics-afstudeerprogramma van het land.

“Ik kan ter plaatse bij een nationale gebruikersfaciliteit werken aan onderwerpen in de voorhoede van de nucleaire wetenschap,” zei Hamaker. “Deze ervaring heeft me in staat gesteld relaties te ontwikkelen en te leren van veel medewerkers en onderzoekers van het lab. Het project was succesvol dankzij hun toewijding aan de toonaangevende wetenschap en faciliteiten en apparatuur van het lab.”