Het is misschien mogelijk om meer neutronen in atoomkernen te proppen dan eerder werd gedacht | Wetenschap

Een nieuwe vorm van natrium – het element dat combineert met chloor om zout te maken – bevat maar liefst 28 neutronen in zijn atoomkern, samen met de 11 protonen die de chemische identiteit bepalen. Met meer dan het dubbele van de 13 neutronen in natuurlijk natrium, is de neutronenrijke isotoop van het element zo extreem dat maar weinig theoretische modellen het bestaan ​​ervan voorspelden. „Het is een verrassing dat deze neutronen blijven hangen“, zegt Katherine Grzywacz-Jones, een kernfysicus aan de Universiteit van Tennessee, Knoxville, die niet bij het werk betrokken was.

Onderzoekers van het Japanse RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science creëerden slechts een handvol natrium-39-kernen. Maar hun loutere bestaan ​​daagt natuurkundigen uit om de nucleaire structuur te begrijpen. Het suggereert ook dat het traceren van het proces waarmee exploderende sterren veel elementen vormen – een doel van een grote nieuwe faciliteit in de Verenigde Staten – misschien moeilijker is dan gedacht.

Drie jaar geleden produceerde een experiment met de deeltjesversneller van het RIKEN-centrum, een supergeleidend cyclotron genaamd de Radioactive Isotope Beam Factory, een verleidelijke hint van een enkele natrium-39-kern. „Daarom hebben we het experiment herhaald met een veel hogere bundelintensiteit en een langere bundeltijd“, zegt Toshiyuki Kubo, een RIKEN-kernfysicus.

Kubo’s 26-koppige team schoot een straal calcium-48-kernen door een berylliumdoelwit om ze te versnipperen en leidde de fragmenten door een kronkelende ketting van magneten genaamd BigRIPS. Onderzoekers stemden die chicane af, zodat alleen natrium-39 of een kern met een vergelijkbare massa-tot-ladingsverhouding erdoorheen kon slalommen. De energie die een kern aan het einde in een detector had afgezet, onthulde zijn lading. Uit de lading en massa konden Kubo en collega’s gemakkelijk de protonen en neutronen van een kern tellen. Ze schoten 500 biljard calcium-48 kernen door het doelwit, ze bespioneerden negen natrium-39 kernen, rapporteren ze in een krant die in druk is op Fysieke beoordelingsbrieven.

Het kan lastig zijn om te voorspellen welke combinaties van protonen en neutronen zich in een kern zullen binden. Protonen en neutronen kleven aan elkaar door deeltjes uit te wisselen die pionen worden genoemd, en een kwantummechanisch effect begunstigt kernen met een vergelijkbaar aantal protonen en neutronen. Maar de elektrisch geladen protonen stoten elkaar af en kantelen de balans naar minder protonen. Kernen variëren ook van een enkel proton tot honderden protonen en neutronen, en verschillende theoretische benaderingen werken meestal beter in verschillende massabereiken.

„Verreweg de meeste modellen voorspelden niet dat natrium-39 zou moeten worden gebonden“, zegt Brad Sherrill, een kernfysicus aan de Michigan State University en een auteur op het papier. Twee jaar geleden probeerden Witold Nazarewicz, een kerntheoreticus in de staat Michigan, en collega’s echter alle mogelijke kernen te voorspellen door het gemiddelde te nemen van modelvoorspellingen, elk gewogen door zijn onzekerheid. Dat gaf een kans van 50% dat natrium-39 zou bestaan. „Is de [RIKEN] resultaat verrassend?” zegt Nazarewicz. „Nee. Het is belangrijk? Ja.“

Het voegt een belangrijk detail toe aan het nucleaire landschap, zegt hij. Natuurkundigen plotten bekende en voorspelde kernen op een schaakbordachtige grafiek, waarbij het aantal protonen verticaal stijgt en het aantal neutronen van links naar rechts toeneemt. De kernen vormen een brede strook diagonaal over de kaart, waarvan de onderrand de neutronendruppellijn wordt genoemd. Het markeert de grens waarbij het onmogelijk wordt om meer neutronen in een kern te proppen met een bepaald aantal protonen. En het is alleen bekend tot neon, element 10.

De neutronendruppelleiding heeft al eerder voor verrassingen gezorgd. Het springt bijvoorbeeld van 16 neutronen voor zuurstof (element 8) naar 22 neutronen voor fluor (element 9). Om die sprong te verklaren, moesten theoretici krachten opnemen, niet alleen tussen paren protonen en neutronen in een kern, maar ook tussen trio’s, zegt Sherrill. Een ander stukje natuurkunde dat over het hoofd wordt gezien, kan verklaren waarom de druppellijn met vier neutronen lijkt te springen van neon-34 naar natrium-39.

De resultaten kunnen een doel voor natuurkundigen bemoeilijken. De helft van alle elementen die zwaarder zijn dan ijzer komen voort uit supernova-explosies, aangezien kernen snel neutronen absorberen die uit de explosie gutsen, zelfs als ze herhaaldelijk radioactief bètaverval ondergaan – waarbij een neutron in een kern een elektron uitspuugt en verandert in een proton. Het precies identificeren van de kernen in het proces is een prioriteit voor een nieuwe lineaire versneller van $ 730 miljoen, de Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) in de staat Michigan. Als de druppellijn verder naar buiten ligt, kunnen die kernen meer neutronen bevatten en moeilijker te maken zijn, zegt Sherrill.

De eerste resultaten van FRIB, die in mei van start gingen, onderzoeken kernen in de buurt van natrium-39. Onderzoekers daar versnipperden ook een straal calcium-48 om neutronenrijke isotopen van magnesium, aluminium, silicium en fosfor te creëren – de elementen na natrium – en maten hoe snel ze bèta-verval, meldt het team in een paper in druk op Fysieke beoordelingsbrieven. In een andere lekkernij om modellen te informeren, was de halfwaardetijd van magnesium-38 verrassend kort, zegt Heather Crawford, een kernfysicus bij het Lawrence Berkeley National Laboratory en hoofdauteur.

Voor het experiment van Crawford produceerde FRIB een straal die een twaalfde zo intens was als die in het RIKEN-onderzoek. Over een paar jaar zou de FRIB zijn bundelintensiteit 400-voudig moeten verhogen, waardoor het mogelijk wordt om de neutronendruppellijn verder op de kaart te volgen, merkt Crawford op. „Terwijl FRIB aan de macht komt, is dat een van de eerste dingen die ik verwacht dat zal worden nagestreefd.“

Kommentar verfassen

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert