W najnowocześniejszym ośrodku rzadkich wiązek izotopowych badacze precyzyjnie zmierzyli masę aluminium-22, uzyskując wgląd w „linię kroplową protonów” i delikatną równowagę sił jądrowych.
Ich odkrycia pozwalają na głębsze zrozumienie zachowania jąder atomowych w granicach ich stabilności i stanowią krytyczny test teorii jądrowych poprzez obserwację zjawisk takich jak halo protonowe.
Pionierskie odkrycia w fizyce jądrowej
Naukowcy z Ośrodka Badań Rzadkich Wiązek Izotopowych (FRIB) dokonali bardzo precyzyjnego pomiaru masy aluminium-22, która osiągnęła „linię kroplową protonów” – krytyczną granicę na mapie jądrowej. Linia kroplująca protonów wyznacza krawędź, na której protony i neutrony mogą tworzyć stabilne jądra atomowe. Poza tą granicą dodatkowe protony nie mogą pozostać związane z jądrem i są szybko wyrzucane.
To wyjątkowe ograniczenie stanowi wyzwanie dla naszego zrozumienia struktury i stabilności jądra. W pobliżu linii kroplowej zachodzą egzotyczne zjawiska, takie jak „aureole jądrowe”, gdzie gęste jądro otoczone jest luźno związanymi protonami lub neutronami tworzącymi halo. Pomiary takie jak ten dla aluminium-22 są niezbędne do ujawnienia, jak mocno jądra atomowe trzymają się razem, gdy zbliżają się do tych ekstremalnych granic.
Wzmocnienie badań nad rzadkimi izotopami
Od rozpoczęcia eksploatacji przez użytkowników w maju 2022 r. FRIB dostarczył do eksperymentów 270 wiązek rzadkich izotopów. Ponieważ FRIB zwiększa swoje możliwości w oparciu o potrzeby naukowe, dostarcza rzadkie izotopy niedostępne w żadnym innym ośrodku. Pomiary bardzo rzadkich izotopów są kluczem do testowania teorii jądrowej. Najlepsze przypadki testowe wykazują egzotyczne cechy, które podważają możliwości predykcyjne teorii; Jednym z takich przypadków testowych są halo nuklearne.
Naukowcy wykorzystali ten pomiar masy glinu-22 do określenia energii wymaganej do usunięcia najbardziej zewnętrznego protonu z izotopu. Aby jądro utworzyło halo protonowe, ostatni dodany proton musi być bardzo luźno związany z tym jądrem. Badania wykazały, że dzieje się tak w przypadku aluminium-22.
Zaawansowane techniki pomiaru izotopów
Naukowcy wykorzystali zaawansowany separator rzadkich izotopów w FRIB, obiekcie użytkownika Biura Naukowego Departamentu Energii, do wytworzenia, rozdzielenia i identyfikacji wiązki glinu-22 przy energiach relatywistycznych. Następnie badacze wysłali wiązkę do urządzenia zatrzymującego wiązkę, gdzie wiązkę zatrzymano i ekstrahowano przy niskiej energii za pomocą zaawansowanego stopera gazu kriogenicznego (ACGS).
Następnie wiązkę wysłano do obiektu Low Energy Beam and Ion Trap (LEBIT), gdzie jony wstrzyknięto do urządzenia zwanego pułapką Penninga, które wykorzystuje pola elektryczne i magnetyczne do przechowywania jonów w przestrzeni. Następnie badacze z dużą precyzją zmierzyli masę jonów, obserwując ruch jonów w pułapce.
Zespół zastosował technikę wykrywania nowo wdrożoną w LEBIT zwaną techniką obrazowania fazowego rezonansu cyklotronowego (PI-ICR). Umożliwiło to pomiar z precyzją lepszą niż 20 części na miliard, co stanowiło wyzwanie, biorąc pod uwagę bardzo krótki okres półtrwania aluminium-22, wynoszący zaledwie 91 milisekund.
Perspektywy na przyszłość w FRIB
Praca ta pokazuje potencjał FRIB w połączeniu z najnowocześniejszym zatrzymywaniem wiązki przy użyciu ACGS i pomiarów masy za pomocą LEBIT. W przyszłości FRIB ostatecznie zapewni o dwa rzędy wielkości większy prąd wiązki, zwiększając zasięg LEBIT do jeszcze bardziej egzotycznych obszarów krajobrazu nuklearnego.
Więcej informacji na temat tych badań można znaleźć w artykule Inside the Proton Halo: Precision Measurements Unravel Nuclear Puzzles.
Odniesienie: „Precyzyjny pomiar masy kandydata na halo w linii kroplującej protonów 22Al”: SE Campbell, G. Bollen, BA Brown, A. Dockery, CM Ireland, K. Minamisono, D. Puentes, BJ Rickey, R. Ringle, IT Yandow, K. Fossez, A. Ortiz-Cortes, S. Schwarz, CS Sumithrarachchi i ACC Villari, 9 kwietnia 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.152501
Niniejszy materiał powstał w oparciu o prace wspierane przez Biuro Naukowe Departamentu Energii, Biuro Fizyki Jądrowej i amerykańską Narodową Fundację Nauki.
