Nuklearwissenschaftler erforschen den Kern der Existenz

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Die starke Kernkraft ist die stärkste der vier Grundkräfte der Natur, Bindung von Protonen und Neutronen in den Kernen der Atome. Noch verhindert die gleiche Kraft dieser fundamentalen Teilchen kombinieren in bestimmten Kombinationen.

Als ich, dass zuerst erfuhr, war meine gesamte Ansicht der physischen Welt erschüttert. Es war wie das lernen, dass nur bestimmte Kombinationen aus Erdnussbutter und Gelee in ein Sandwich genommen werden könnte.

Als Journalist bei der nationalen supraleitenden Zyklotron Labor (NSCL) an Michigan Landesuniversität, eines der Nation Top Kernwissenschaft Labore, war die Fremdheit dieser Wahrheit mein erster Einblick in die besondere Natur der Materie auf subatomarer Ebene.

Voller Unsicherheiten

Wissenschaftler wissen über die starke Kernkraft ist voller Unsicherheiten. Um mehr zu erfahren, gehen Physiker zu den extremen der nuklearen Existenz auf der Suche nach Verständnis der Neutron Dripline. Der Begriff bezieht sich auf eine Begrenzung auf einen Graphen Plotten die Anzahl der Neutronen im Kern gegen die Anzahl der Protonen, aber es spiegelt wider, wie viele Neutronen in einem einzelnen Kern gestapelt werden können, bevor die Partikel abprallen. Dies hat die Kernphysiker für des letzten halben Jahrhunderts beschäftigt, und für viele ist es um das Verständnis über die Kernkraft.

"Wir wollen Dinge so weit entfernt von dem was wir, wie möglich wissen, zu erforschen", sagte Alex Brown, Professor für Physik an hilfreicher. "Dies ist ein Test neue Aspekte unserer Modelle, die wir nicht in der Lage, auf andere Weise zu sehen sind. Was sind die Bestandteile unserer Welt? Wie viele Kerne gibt es? Und wie sind sie entstanden im Laufe der Evolution des Universums? All das hängt wo die Dripline ist."

Brown und seine Kollegen vor kurzem entdeckt drei Kerne in der Nähe der Dripline, die noch nie zuvor beobachtet hatte. Magnesium 40 mit 12 Protonen und Neutronen 28 war das Ziel des Experiments, und es war eine heiße finden – verfolgt seit mehr als zwanzig Jahren ohne Erfolg. Aber am meisten überrascht waren die beiden anderen Kerne – Aluminium 42 und 43 Aluminium —, dass Physiker dachte überhaupt nicht existiert haben sollte.

"Die Implikation ist, dass unsere Modelle haben noch einen langen Weg zu gehen," sagte Brad Sherrill, Universität distinguished Professor für Physik an der Michigan State University. "Überraschungen führen schließlich zu einem tieferen Verständnis der Wissenschaft," sagte Sherrill. "Aber im Moment ist es nur eine Überraschung."

Ein - hundert achtzehn Elemente im Universum beobachtet, aber für nur die ersten acht Neutronen Dripline festgestellt wurde.

"Man könnte meinen, wenn es so interessant ist, die Dripline zu erkunden, warum noch nicht es noch nicht getan?" fragt Thomas Baumann, ein Strahl Physiker an hilfreicher und führen die Forscher auf die Studie von Magnesium und Aluminium.

So begann Baumann und seine Kollegen eine Suche bei NSCL.

Die Hälfte der Lichtgeschwindigkeit

In einem Experiment, das früher in diesem Jahr lief, beschleunigt das Zyklotron einen Strahl von Kalzium Kerne um fast die Hälfte der Geschwindigkeit des Lichts – schnell genug, um die Erde drei Mal in einer Sekunde zu umrunden. Die Kerne kollidieren in eine Wolfram-Ziel, produzieren ein dickes paar Brocken von verschiedenen Kerne und anderen Teilchen. Nur eine von Milliarden – manchmal Billionen oder Quadrillions – der daraus resultierende Kerne ist derjenige, der Forscher suchen. Herstellung des gewünschten Kerns durch ausschlagen eine genaue Anzahl von Protonen und Neutronen unberührt ist vergleichbar mit dem werfen einen Schokoladenkeks an der Wand und ausschlagen nur Schokolade-Chips.

Ein komplexes System von Magneten, die nachgeschalteten Filter die gewünschte Partikel und über 11 Tage, drei Partikeln von Magnesium 40 erkannt wurden, einen Anteil zu finden drei Partikeln von Sand an den Stränden der westlichen Nordamerika vergleichbar.

"Alles muss perfekt funktionieren", sagte Kirby Kemper, ein Mitarbeiter von der Florida State University. "Es ist der goldene Betrag, wenn alles, was Sie für gearbeitet haben zusammen kommt und arbeitet – wofür Sie Leben als Wissenschaftler."

Die Ergebnisse zeigten Physiker, dass das Neutron Dripline nicht so gut verstanden, da sie dachten, und um besser zu definieren sie sich in seltener Kerne Wagen müssen.

Für jeden Kern näher an die Dripline schätzt Sherrill, dass experimentell produziert es wäre schwieriger 100 bis 1000 Mal erfordern leistungsfähigere Ausrüstung oder viel mehr Zeit nehmen.

"Wir haben Magnesium 40 in 11 Tagen. Herstellung von Magnesium 42 [mit der heutigen Technologie] würde 1100 Tage dauern. Das sind 3 Jahre laufen. Es ist irgendwie unmöglich", sagte Sherrill. Als eine realistischere Alternative betonen Physiker die Notwendigkeit, auch weiterhin neue Technologie zu entwickeln. "Hundert Jahre ab jetzt, wenn Menschen viel klüger, dies alles ganz einfach sein wird," hinzugefügt Sherill. Und so die Verfolgung wird fortgesetzt.

Eine Video mit den Forschern sprechen über die Neuentdeckung ist hier verfügbar.

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Anmerkung der Redaktion: Dieser Forschung wurde unterstützt von der National Science Foundation (NSF), der Bundesagentur für Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik angeklagt.