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物理学家翻转粒子加速器以获得清晰的原子核视野

粒子加速器 原子核 质子 中子
发布:2021-04-01 15:33:09     来源:cnBeta.COM

据外媒报道,麻省理工学院(MIT)和其他研究机构的物理学家正在将离子束射向质子云--就像以光速投掷“核飞镖”一样--以绘制原子核的结构图。该实验是对通常的粒子加速器的翻转,它将电子抛向原子核,以探测其结构。该团队利用这“反向动力学”的方法,筛选出原子核内杂乱无章的量子力学影响因素,从而清晰地看到原子核的质子和中子,以及其短程关联对(SRC对)。

 

这些是质子或中子对,它们短暂地结合在一起,形成超密集的核物质液滴,它们被认为是中子星中超密集环境的主宰。

该结果于3月29日发表在《自然物理学》上,证明了反运动学可以用来描述更不稳定的核的结构--科学家们可以用它来理解中子星的动力学及其产生重元素的过程,这是必不可少的成分。

"我们已经打开了研究SRC对的大门,不仅在稳定的核子中,而且在中子星合并等环境中非常丰富的丰中子核中,"研究的共同作者,麻省理工学院物理学副教授Or Hen说。“这让我们更接近理解这种奇异的天体物理现象。”

该研究的共同作者包括麻省理工学院的Jullian Kahlbow和Efrain Segarra,特拉维夫大学的Eli Piasetzky,以及来自达姆施塔特工业大学、俄罗斯联合核研究所(JINR)、法国原子能和替代能源委员会(CEA)和德国亥姆霍兹重离子研究中心(GSI)的研究人员。


 

一个倒置的加速器

粒子加速器通常通过电子散射探测核结构,即高能电子被射向静止的靶核云。当电子撞击到核子时,它会击穿质子和中子,电子在此过程中失去能量。研究人员测量电子束在这种相互作用前后的能量,计算出被踢走的质子和中子的原始能量。

虽然电子散射是重建原子核结构的精确方法,但它也是一种偶然的游戏。鉴于单个电子相对于整个原子核来说是微不足道的,因此电子击中原子核的概率相对较低。为了增加这个概率,电子束被加载了越来越高的电子密度。

科学家们也会用质子束代替电子来探测原子核,因为质子相对来说更大,更容易击中目标。但质子也更复杂,由夸克和胶子组成,它们之间的相互作用会混淆对原子核本身的最终解释。

为了获得更清晰的图像,物理学家近年来颠覆了传统的设置。通过将一束核子或离子射向质子目标 ,科学家不仅可以直接测量被击落的质子和中子,还可以比较原始核与残余核或核碎片与目标质子相互作用后的情况。

“有了反向动力学,我们就能准确地知道当我们去除质子和中子时,核子会发生什么,”Hen说。

量子筛选

该团队将这种反向动力学的方法用于超高能量,利用JINR的粒子加速器设施,以一束碳-12核子为目标,将静止的质子云射出,他们以480亿电子伏特的速度射出--这比自然发现的核子的能量要高几个数量级。

在如此高的能量下,任何与质子相互作用的核子都会在数据中脱颖而出,相比之下,以低得多的能量通过的非相互作用的核子就显得尤为突出。通过这种方式,研究人员可以迅速分离出任何确实发生在核子和质子之间的相互作用。

从这些相互作用中,研究小组挑选出残留的核碎片,寻找硼-11--减去一个质子。如果一个原子核开始时是碳-12,最后变成了硼-11,那只能说明它遇到了一个目标质子,击倒了一个质子。如果靶质子打掉了不止一个质子,那就是核内量子力学效应的结果,很难解释。研究小组分离出硼-11作为一个明确的签名,并抛弃了任何较轻的、受量子影响的碎片。

研究小组根据每一次产生硼-11的相互作用,计算出原始碳-12原子核中被敲出的质子的能量。当他们将这些能量设置成图时,其模式与碳-12的既定分布完全吻合--这是对倒置的高能方法的验证。然后,他们将这一技术转到短程关联对上,看是否能重建对中每个粒子的各自能量--这是最终理解中子星和其他中子密度物体动态的基本信息。

 
 

他们重复实验,这次寻找硼-10,这将通过减去一个质子和一个中子。任何对硼-10的探测都意味着一个碳-12核与一个目标质子发生了相互作用,从而敲掉了一个质子,以及它的结合伙伴--一个中子。科学家们可以测量目标质子和被打掉的质子的能量,从而计算出中子的能量和原始SRC对的能量。

研究人员总共观察到了20次SRC相互作用,并从中绘制出碳-12的SRC能量分布图,这与之前的实验非常吻合。结果表明,“反向动力学”可以用来描述更不稳定、甚至中子更多的放射性核中的SRC对。

“当一切都被反转时,这意味着驱动通过的光束可能是由寿命非常短的不稳定粒子组成的,这些粒子的寿命只有一毫秒,”麻省理工学院和特拉维夫大学的联合博士后、该论文的共同领导作者Julian Kahlbow说。“这一毫秒足够我们创造它,让它互动,然后让它离开。因此,现在我们可以系统地将更多的中子添加到系统中,看看这些SRC是如何演变的,这将帮助我们了解中子星中发生的事情,因为中子星的中子数量比宇宙中的其他任何东西都多得多。”

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