Korzystając z precyzyjnych pomiarów laserowych, naukowcy określili ilościowo promienie jądrowe izotopów krzemu, aby ulepszyć teorie jądrowe i nasze zrozumienie gwiazda neutronowa materiał.
Odkrycia te wnoszą znaczący wkład zarówno do fizyki jądrowej, jak i astrofizyki, dostarczając wglądu w strukturę gęstych obiektów kosmicznych.
Przesunięcia izotopów i pomiary promienia jądrowego
Dodawanie lub usuwanie neutronów z jądra atomowego powoduje zmiany w wielkości jądra. To z kolei powoduje niewielkie zmiany w poziomach energii atomelektronów, znane jako przesunięcia izotopowe. Naukowcy mogą wykorzystać precyzyjne pomiary tych przesunięć energii do pomiaru promienia jądra izotopu.
W ramach tych badań naukowcy dokonali wspomaganych laserowo pomiarów promieni jądrowych stabilnych izotopów krzemu, krzemu-28, krzemu-29 i krzemu-30. Zmierzyli także promień niestabilnego jądra krzemu-32, które ma 14 protonów i 18 neutronów. Naukowcy wykorzystali różnicę między promieniem jądra krzemu-32 i jego jądra lustrzanego, argonu-32, które ma 18 protonów i 14 neutronów, aby ustalić granice zmiennych, które pomagają opisać fizykę obiektów astrofizycznych, takich jak gwiazdy neutronowe. Wyniki stanowią ważny krok w rozwoju teorii jądrowej, badania jąder i ich składników.
Wyzwania i postęp w teorii jądrowej
Pomimo postępu w teorii jądrowej naukowcy nadal stoją przed długotrwałymi wyzwaniami w zrozumieniu jąder. Na przykład badacze nie powiązali opisu wielkości jądra z leżącą u podstaw teorią silnego oddziaływania jądrowego. Co więcej, nie jest jasne, czy teorie jądrowe opisujące skończone jądra atomowe mogą zapewnić wiarygodny opis materii jądrowej. Ta szczególna forma materii składa się z oddziałujących ze sobą protonów i neutronów. Materia jądrowa obejmuje materię znajdującą się w ekstremalnych warunkach, np. gwiazdy neutronowe. Precyzyjne pomiary promieni ładunku – promienia jąder atomowych – pomagają rozwiązać te otwarte pytania.
Techniki precyzyjne w pomiarze izotopów
Naukowcy wykorzystali pomiary spektroskopii laserowej przesunięć izotopów atomowych do pomiaru promienia jądrowego różnych izotopów krzemu w ośrodku spektroskopii BEam COoler i LAser (BECOLA) w ośrodku rzadkich wiązek izotopowych (FRIB) na Uniwersytecie Stanowym Michigan. Pomiary wykonali dla stabilnych izotopów krzemu: krzemu-28, krzemu-29 i krzemu-30, a także dla niestabilnego krzemu-32, który ma 14 protonów i 18 neutronów.
Implikacje dla teorii jądrowej i astrofizyki
Wyniki stanowią ważny punkt odniesienia dla rozwoju teorii jądrowej. Różnica w promieniach ładunku pomiędzy jądrem krzemu-32 i jego zwierciadlanym jądrem argonem-32, które ma 18 protonów i 14 neutronów, wykorzystano do ograniczenia parametrów niezbędnych do opisania właściwości gęstej materii neutronowej w gwiazdach neutronowych. Uzyskane wyniki są zgodne z ograniczeniami wynikającymi z obserwacji fal grawitacyjnych i innych obserwacji uzupełniających.
Odniesienie: „Promienie ładunku jądrowego izotopów krzemu” autorstwa Kristiana Königa, Juliana C. Berenguta, Anastasii Borschevsky, Alexa Brinsona, B. Alexa Browna, Adama Dockery’ego, Serdara Elhatisariego, Ephraima Eliava, Ronalda F. Garcii Ruiza, Jasona D. Holta, Bai-Shan Hu, Jonas Karthein, Dean Lee, Yuan-Zhuo Ma, Ulf-G. Meißner, Kei Minamisono, Alexander V. Oleynichenko, Skyy V. Pineda, Sergey D. Prosnyak, Marten L. Reitsma, Leonid V. Skripnikov, Adam Vernon i Andréi Zaitsevskii, 16 kwietnia 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.162502
Prace te były częściowo wspierane przez Biuro Naukowe Departamentu Energii, współpracę SciDAC-5 NUCLI Biura Fizyki Jądrowej oraz przez Narodową Fundację Nauki.
