以光速投擲「核飛鏢」:物理學家翻轉粒子加速器以獲得清晰的原子核視野

據外媒報道,麻省理工學院(MIT)和其他研究機構的物理學家正在將離子束射向質子雲–就像以光速投擲「核飛鏢」一樣–以繪制原子核的結構圖。該實驗是對通常的粒子加速器的翻轉,它將電子拋向原子核,以探測其結構。該團隊利用這「反向動力學」的方法,篩選出原子核內雜亂無章的量子力學影響因素,從而清晰地看到原子核的質子和中子,以及其短程關聯對(SRC對)。

這些是質子或中子對,它們短暫地結合在一起,形成超密集的核物質液滴,它們被認為是中子星中超密集環境的主宰。

以光速投擲「核飛鏢」:物理學家翻轉粒子加速器以獲得清晰的原子核視野

該結果於3月29日發表在《自然物理學》上,證明了反運動學可以用來描述更不穩定的核的結構–科學家們可以用它來理解中子星的動力學及其產生重元素的過程,這是必不可少的成分。

“我們已經打開了研究SRC對的大門,不僅在穩定的核子中,而且在中子星合並等環境中非常豐富的豐中子核中,”研究的共同作者,麻省理工學院物理學副教授Or Hen說。「這讓我們更接近理解這種奇異的天體物理現象。」

該研究的共同作者包括麻省理工學院的Jullian Kahlbow和Efrain Segarra,特拉維夫大學的Eli Piasetzky,以及來自達姆施塔特工業大學、俄羅斯聯合核研究所(JINR)、法國原子能和替代能源委員會(CEA)和德國亥姆霍茲重離子研究中心(GSI)的研究人員。

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一個倒置的加速器

粒子加速器通常通過電子散射探測核結構,即高能電子被射向靜止的靶核雲。當電子撞擊到核子時,它會擊穿質子和中子,電子在此過程中失去能量。研究人員測量電子束在這種相互作用前後的能量,計算出被踢走的質子和中子的原始能量。

雖然電子散射是重建原子核結構的精確方法,但它也是一種偶然的遊戲。鑒於單個電子相對於整個原子核來說是微不足道的,因此電子擊中原子核的概率相對較低。為了增加這個概率,電子束被加載了越來越高的電子密度。

科學家們也會用質子束代替電子來探測原子核,因為質子相對來說更大,更容易擊中目標。但質子也更復雜,由夸克和膠子組成,它們之間的相互作用會混淆對原子核本身的最終解釋。

為了獲得更清晰的圖像,物理學家近年來顛覆了傳統的設置。通過將一束核子或離子射向質子目標 ,科學家不僅可以直接測量被擊落的質子和中子,還可以比較原始核與殘余核或核碎片與目標質子相互作用後的情況。

「有了反向動力學,我們就能准確地知道當我們去除質子和中子時,核子會發生什麼,」Hen說。

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量子篩選

該團隊將這種反向動力學的方法用於超高能量,利用JINR的粒子加速器設施,以一束碳-12核子為目標,將靜止的質子雲射出,他們以480億電子伏特的速度射出–這比自然發現的核子的能量要高幾個數量級。

在如此高的能量下,任何與質子相互作用的核子都會在數據中脫穎而出,相比之下,以低得多的能量通過的非相互作用的核子就顯得尤為突出。通過這種方式,研究人員可以迅速分離出任何確實發生在核子和質子之間的相互作用。

從這些相互作用中,研究小組挑選出殘留的核碎片,尋找硼-11–減去一個質子。如果一個原子核開始時是碳-12,最後變成了硼-11,那隻能說明它遇到了一個目標質子,擊倒了一個質子。如果靶質子打掉了不止一個質子,那就是核內量子力學效應的結果,很難解釋。研究小組分離出硼-11作為一個明確的簽名,並拋棄了任何較輕的、受量子影響的碎片。

研究小組根據每一次產生硼-11的相互作用,計算出原始碳-12原子核中被敲出的質子的能量。當他們將這些能量設置成圖時,其模式與碳-12的既定分布完全吻合–這是對倒置的高能方法的驗證。然後,他們將這一技術轉到短程關聯對上,看是否能重建對中每個粒子的各自能量–這是最終理解中子星和其他中子密度物體動態的基本信息。

以光速投擲「核飛鏢」:物理學家翻轉粒子加速器以獲得清晰的原子核視野

他們重復實驗,這次尋找硼-10,這將通過減去一個質子和一個中子。任何對硼-10的探測都意味着一個碳-12核與一個目標質子發生了相互作用,從而敲掉了一個質子,以及它的結合夥伴–一個中子。科學家們可以測量目標質子和被打掉的質子的能量,從而計算出中子的能量和原始SRC對的能量。

研究人員總共觀察到了20次SRC相互作用,並從中繪制出碳-12的SRC能量分布圖,這與之前的實驗非常吻合。結果表明,「反向動力學」可以用來描述更不穩定、甚至中子更多的放射性核中的SRC對。

「當一切都被反轉時,這意味着驅動通過的光束可能是由壽命非常短的不穩定粒子組成的,這些粒子的壽命只有一毫秒,」麻省理工學院和特拉維夫大學的聯合博士後、該論文的共同領導作者Julian Kahlbow說。「這一毫秒足夠我們創造它,讓它互動,然後讓它離開。因此,現在我們可以系統地將更多的中子添加到系統中,看看這些SRC是如何演變的,這將幫助我們了解中子星中發生的事情,因為中子星的中子數量比宇宙中的其他任何東西都多得多。」

來源:cnBeta