Melihat inti cermin, fisikawan melihat pasangan tak terduga

Kredit: Jenny Noss/Berkeley Lab

Inti atom adalah tempat yang ramai. Proton dan neutron penyusunnya terkadang bertabrakan, terbang menjauh satu sama lain dengan daya dorong tinggi sebelum saling menempel lagi seperti ujung karet gelang yang diregangkan. Dengan menggunakan teknik baru, fisikawan yang mempelajari tumbukan energik ini dalam inti optik telah menemukan sesuatu yang mengejutkan: Proton bertabrakan dengan proton dan neutron dengan sesama neutron lebih sering dari yang diperkirakan.

Penemuan ini dibuat oleh tim ilmuwan internasional termasuk peneliti dari Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley (Laboratorium Berkeley) Departemen Energi, menggunakan Fasilitas Akselerasi Berkas Elektron Berkelanjutan di Fasilitas Akselerator Nasional Thomas Jefferson (Laboratorium Jefferson) Departemen Energi di Virginia. Hal ini dinyatakan dalam sebuah makalah yang diterbitkan hari ini di majalah sifat pemarah.

Memahami tumbukan ini penting untuk menafsirkan data dalam berbagai eksperimen fisika yang mempelajari partikel elementer. Ini juga akan membantu fisikawan memahami strukturnya neutron Bintang – inti runtuh dari bintang raksasa yang merupakan salah satu bentuk materi terpadat di alam semesta.

John Arrington, seorang ilmuwan Berkeley Lab, adalah salah satu dari empat pembicara untuk kolaborasi tersebut, dan Shuji Lee, penulis utama makalah tersebut, adalah peneliti postdoctoral di Berkeley Lab. Keduanya berada di Departemen Ilmu Nuklir di Berkeley Lab.

Diagram yang menunjukkan hamburan elektron berenergi tinggi dari inti terikat dalam inti cermin tritium (kiri) dan helium-3 (kanan). Sebuah elektron menukar foton virtual dengan salah satu nukleon ikatan, mengeluarkannya dari nukleus dan membiarkan pasangan aktifnya lepas. Kedua pasangan inti, sedangkan tritium (helium-3) memiliki satu pasangan nn (pp). Kredit: Jenny Noss/Berkeley Lab

Proton dan neutron, partikel yang membentuk inti atom, secara kolektif disebut nukleon. Dalam percobaan sebelumnya, fisikawan mempelajari tumbukan nuklir energik di beberapa inti mulai dari karbon (dengan 12 inti) hingga timbal (dengan 208). Hasilnya konsisten: tabrakan proton-neutron membentuk hampir 95% dari semua tabrakan, dengan tabrakan proton-proton-neutron-neutron membuat 5% sisanya.

Eksperimen baru di lab Jefferson mempelajari tumbukan dalam dua “inti cermin” masing-masing tiga nukleon, dan menemukan bahwa tumbukan proton, proton, neutron, dan neutron bertanggung jawab atas bagian yang jauh lebih besar dari total – sekitar 20% . “Kami menginginkan pengukuran yang lebih akurat secara signifikan, tetapi kami tidak mengharapkannya menjadi berbeda secara signifikan,” kata Arrington.

Menggunakan satu tabrakan untuk mempelajari yang lain

Inti atom sering digambarkan sebagai kelompok proton dan neutron yang saling menempel, tetapi inti ini sebenarnya terus mengorbit satu sama lain. “Ini mirip dengan tata surya, tetapi jauh lebih ramai,” kata Arrington. Di sebagian besar inti, nukleon menghabiskan sekitar 20% hidupnya dalam keadaan tereksitasi dengan momentum tinggi yang dihasilkan dari tumbukan diploid.

Untuk mempelajari tumbukan ini, fisikawan menyetrum inti dengan berkas elektron berenergi tinggi. Dengan mengukur energi dan sudut pantul dari elektron yang tersebar, mereka dapat menyimpulkan seberapa cepat inti yang mereka tabrak harus bergerak. “Ini seperti perbedaan antara bola tenis meja yang memantul dari kaca depan yang bergerak atau kaca depan yang tetap,” kata Arrington. Hal ini memungkinkan mereka untuk mengidentifikasi peristiwa di mana elektron dari proton momentum tinggi yang baru-baru ini bertabrakan dengan nukleon lain tersebar.

Dalam tumbukan antara elektron dan proton ini, elektron yang masuk mengemas energi yang cukup untuk mendorong proton yang sudah tereksitasi keluar dari nukleus sepenuhnya. Ini memutus interaksi seperti pita karet yang biasanya mendominasi pasangan nukleon yang tereksitasi, sehingga nukleon kedua juga keluar dari nukleus.

Dalam studi sebelumnya tentang tabrakan dua benda, fisikawan berfokus pada peristiwa hamburan di mana mereka mendeteksi elektron yang memantul bersama dengan masing-masing nukleon yang dikeluarkan. Dengan membedakan semua partikel, mereka dapat menghitung jumlah relatif pasangan proton-proton dan pasangan proton-neutron. Tetapi peristiwa ‘kebetulan rangkap tiga’ seperti itu relatif jarang terjadi, dan analisis akan memerlukan perhitungan yang cermat tentang interaksi tambahan antara nukleon yang dapat mengubah penghitungan.

Inti cermin meningkatkan akurasi

Penulis karya baru menemukan cara untuk menentukan jumlah relatif pasangan proton-proton-neutron tanpa mendeteksi nukleon yang dikeluarkan. Triknya adalah mengukur hamburan dari dua “inti cermin” dengan jumlah nukleon yang sama: tritium, isotop langka hidrogen dengan satu proton dan dua neutron, dan helium-3, yang memiliki dua proton dan satu neutron. Helium-3 terlihat seperti tritium dengan proton dan neutron yang dipertukarkan, dan simetri ini memungkinkan fisikawan untuk membedakan tumbukan yang melibatkan proton dari yang melibatkan neutron dengan membandingkan dua set datanya.

Upaya inti cermin dimulai setelah fisikawan Laboratorium Jefferson menyusun rencana untuk mengembangkan sel gas tritium untuk eksperimen hamburan elektron – penggunaan pertama dari isotop langka dan murung ini dalam beberapa dekade. Arrington dan rekan-rekannya melihat peluang unik untuk mempelajari tumbukan dua benda di dalam nukleus dengan cara baru.

Eksperimen baru ini mampu mengumpulkan lebih banyak data daripada eksperimen sebelumnya karena analisisnya tidak memerlukan peristiwa kebetulan rangkap tiga yang langka. Hal ini memungkinkan tim untuk meningkatkan akurasi pengukuran sebelumnya sebanyak sepuluh kali lipat. Mereka tidak punya alasan untuk berharap bahwa tumbukan nukleon akan bekerja secara berbeda di tritium dan helium-3 daripada di inti yang lebih berat, jadi hasilnya cukup mengejutkan.

Misteri kekuatan yang kuat tetap ada

Gaya nuklir kuat dipahami dengan baik pada tingkat yang paling dasar, menguasai partikel subatom yang disebut quark dan gluon. Namun terlepas dari fondasi yang sudah mapan ini, interaksi partikel kompleks seperti nukleon sulit untuk dijelaskan. Detail ini penting untuk analisis data dalam eksperimen energi tinggi yang mempelajari quark, gluon, dan partikel elementer lainnya seperti neutrino. Hal ini juga relevan dengan bagaimana nukleon berinteraksi di bawah kondisi ekstrim yang berlaku di bintang neutron.

Arrington memiliki tebakan tentang apa yang bisa terjadi. Proses hamburan dominan terjadi di dalam inti saja protonpasangan neutron. Tetapi pentingnya proses ini untuk jenis penyebaran lain yang tidak membedakan proton Dari neutron Ini mungkin tergantung pada pemisahan rata-rata nukleon, yang cenderung lebih besar di inti ringan seperti helium-3 daripada di inti yang lebih berat.

Pengukuran lebih lanjut menggunakan inti fotonik lain akan diperlukan untuk menguji hipotesis ini. “Helium-3 jelas berbeda dari beberapa inti berat yang telah diukur,” kata Arrington. ‚ÄúSekarang kami ingin mendorong pengukuran yang lebih akurat pada cahaya lain inti untuk jawaban yang pasti.


Eksperimen hamburan dalam inelastis baru mengukur dua inti cermin


informasi lebih lanjut:
John Arrington, mengungkapkan struktur jarak pendek dari inti cermin 3H dan 3He, sifat pemarah (2022). DOI: 10.1038 / s41586-022-50007-2. www.nature.com/articles/s41586-022-50007-2

kutipan: Melihat inti cermin, fisikawan melihat pasangan tak terduga (2022, 31 Agustus) Diperoleh 31 Agustus 2022 dari https://phys.org/news/2022-08-particles-pair-partners-differently-small.html

Dokumen ini tunduk pada hak cipta. Sekalipun ada kesepakatan yang adil untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.

READ  Para ilmuwan telah mendeteksi cahaya yang dipancarkan dari balik lubang hitam, membuktikan validitas teori Einstein

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *