Двойное волшебное открытие

Группа исследователей, в которую вошли ученые из Национальной лаборатории сверхпроводящих циклотронов (NSCL) и лаборатории Rare Isotope Bundles (FRIB) в Университете штата Мичиган (MSU), решила проблему недостающей массы циркония 80.

Честно говоря, они тоже раскрыли дело. Экспериментаторы показали, что цирконий-80 атом циркония содержит 40 протонов и 40 нейтронов в своей сердцевине, или ядро— Легче, чем ожидалось, благодаря беспрецедентной способности NSCL образовывать и анализировать редкие изотопы. Затем теоретики FRIB смогли объяснить этот недостающий элемент с помощью Advanced ядерные модели и новые статистические методы.

«Взаимодействие между теоретиками-ядерщиками и экспериментаторами похоже на скоординированный танец», — сказал Алек Хамкер, научный сотрудник, аспирант FRIB и первый автор исследования, опубликованного группой 25 ноября в журнале. Физика природы. «Они сменяют друг друга и следуют друг за другом».

«Иногда теория делает прогнозы на раннем этапе, иногда эксперименты обнаруживают то, чего не ожидали», — сказал Райан Рингель, главный научный сотрудник FRIB, входивший в группу, производившую цирконий-80. Масса Измерение. Рингель также является адъюнкт-профессором физики в FRIB и факультете физики и астрономии МГУ в Колледже естественных наук.

«Они толкают друг друга, и это приводит к лучшему пониманию ядра, которое, по сути, является всем, с чем мы взаимодействуем», — сказал он.

Так что эта история больше, чем одно ядро. В некотором смысле это предварительная версия FRIB, пользовательского центра ядерной науки, поддерживаемого Управлением ядерной физики Министерства энергетики США.

Когда пользовательские операции начнутся в следующем году, ученые-ядерщики со всего мира получат возможность работать с технологией FRIB для создания редких изотопов, которые было бы невозможно изучить где-либо еще. У них также будет возможность поработать с экспертами FRIB, чтобы понять результаты и значение этих исследований. Эти знания имеют множество применений, от помощи ученым в понимании Вселенной до улучшения методов лечения рака.

«По мере продвижения в эпоху FRIB мы можем проводить измерения, как здесь, и многое другое», — сказал Рингель. «Мы можем пойти дальше. Здесь достаточно возможностей, чтобы мы могли учиться на десятилетия».

Однако цирконий-80 — действительно интересное ядро.

Во-первых, это твердое ядро, но изготовление редких ядер — это специальность NSCL. Завод произвел достаточно циркония-80, чтобы позволить Рингелю, Хаммейкеру и их коллегам определить его массу с беспрецедентной точностью. Для этого они использовали так называемый масс-спектрометр с ловушкой Пеннинга на объекте Low Energy Beam and Ion Trap (LEBIT).

«Люди измеряли эту массу раньше, но они не измерили ее точно», — сказал Хамакер. «И это открыло некоторую интересную физику».

«Когда мы проводим измерения массы на этом точном уровне, мы фактически измеряем недостающую массу», — сказал Рингель. «Масса ядра — это не просто сумма массы протонов и нейтронов в нем. Имеется недостающая масса, которая проявляется как энергия, удерживающая ядро ​​вместе».

Вот где одно из самых известных научных уравнений помогает объяснить вещи. в E = mc²буква E обозначает энергию, а m обозначает массу (c — символ скорости света). Это означает, что масса и энергия эквивалентны, хотя это можно наблюдать только в экстремальных условиях, например, в ядре атома.

Когда у ядра больше энергии связи, то есть у него больше силы при трении с протонами и нейтронами, у него будет больше энергии. недостающая масса. Это помогает объяснить состояние циркония-80. Их ядра тесно связаны, и это новое измерение показало, что связь была сильнее, чем ожидалось.

Это означает, что теоретикам FRIB пришлось найти объяснение и они могут обратиться к предсказаниям десятилетней давности, чтобы найти ответ. Например, теоретики подозревали, что сердечник из циркония-80 может быть волшебным.

Время от времени определенное ядро ​​нарушает предсказание массы, имея определенное количество протонов или нейтронов. Физики называют эти магические числа. Теория предполагала, что цирконий-80 содержит особое количество протонов и нейтронов, что делает его магическим вдвойне.

Предыдущие эксперименты показали, что цирконий-80 больше напоминает мяч для регби или американский футбол, чем его сферическая форма. Теоретики предсказали, что форма может привести к этой двойной магии. Благодаря самому точному на сегодняшний день измерению массы циркония-80 ученые могут подкрепить эти идеи надежными данными.

«Теоретики предположили, что цирконий-80 был дважды зачарованным деформированным сердечником более 30 лет назад», — сказал Хаммер. «Экспериментаторам потребовалось некоторое время, чтобы научиться танцевать и предоставить доказательства теоретикам. Теперь, когда доказательства на месте, теоретики могут сделать следующие несколько шагов в танце».

Итак, танец продолжается, и, если расширить метафору, NSCL, FRIB и MSU предлагают вам один из лучших бальных залов для игры. Он может похвастаться единственным в своем роде объектом, опытным персоналом и признанной в стране программой для выпускников по ядерной физике.

«Я могу работать на площадке национального предприятия-пользователя по темам, лежащим в основе ядерной науки», — сказал Хамакер. «Этот опыт позволил мне наладить отношения и поучиться у многих сотрудников лаборатории и исследователей. Проект был успешным благодаря их преданности ведущей в мире науке, а также помещениям и оборудованию».