Double découverte magique

Une équipe de chercheurs, comprenant des scientifiques du National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) et de la Rare Isotope Bundles (FRIB) Facility de la Michigan State University (MSU), a résolu le problème de la masse manquante de zirconium 80.

Pour être juste, ils ont aussi cassé l’affaire. Les expérimentateurs ont montré que le zirconium-80 un atome de zirconium contient 40 protons et 40 neutrons dans son noyau, ou noyau— Plus léger que prévu, utilisant la capacité inégalée de NSCL à former et à analyser des isotopes rares. Ensuite, les théoriciens du FRIB ont pu expliquer cette pièce manquante en utilisant Advanced modèles nucléaires et de nouvelles méthodes statistiques.

« L’interaction entre les théoriciens nucléaires et expérimentaux est comme une danse coordonnée », a déclaré Alec Hamker, assistant de recherche étudiant diplômé au FRIB et premier auteur de l’étude publiée par l’équipe le 25 novembre dans la revue. Physique de la Nature. « Chacun se succède à tour de rôle et suit l’autre. »

« Parfois, la théorie fait des prédictions dès le début, d’autres fois, les expériences trouvent des choses auxquelles on ne s’attendait pas », a déclaré Ryan Ringel, scientifique en chef du FRIB, qui faisait partie du groupe qui a fabriqué le zirconium-80. Masse La mesure. Ringel est également professeur agrégé adjoint de physique au département de physique et d’astronomie de la FRIB et de la MSU au Collège des sciences naturelles.

« Ils se poussent et cela conduit à une meilleure compréhension du noyau, qui est essentiellement tout ce avec quoi nous interagissons », a-t-il déclaré.

Cette histoire est donc plus grande qu’un simple noyau. D’une certaine manière, il s’agit d’un aperçu de FRIB, une installation d’utilisateurs de sciences nucléaires soutenue par l’Office of Science du ministère de l’Énergie des États-Unis.

Lorsque les opérations des utilisateurs commenceront l’année prochaine, les scientifiques nucléaires du monde entier auront la possibilité de travailler avec la technologie FRIB pour créer des isotopes rares qu’il serait impossible d’étudier ailleurs. Ils auront également l’opportunité de travailler avec des experts du FRIB pour comprendre les résultats et les implications de ces études. Ces connaissances ont une gamme d’applications, allant d’aider les scientifiques à mieux comprendre l’univers à l’amélioration des traitements contre le cancer.

« Au fur et à mesure que nous avançons dans l’ère FRIB, nous pouvons prendre des mesures comme nous l’avons fait ici et bien plus encore », a déclaré Ringel. « Nous pouvons aller plus loin. Il y a suffisamment de capacité ici pour nous permettre d’apprendre pendant des décennies. »

Cependant, le zirconium-80 est un noyau vraiment intéressant à part entière.

Pour commencer, c’est un noyau dur, mais la fabrication de noyaux rares est une spécialité de la NSCL. L’installation a produit suffisamment de zirconium-80 pour permettre à Ringel, Hammaker et leurs collègues de déterminer sa masse avec une précision sans précédent. Pour ce faire, ils ont utilisé ce que l’on appelle un spectromètre de masse à piège de Penning à l’installation LEBIT (Low Energy Beam and Ion Trap) de la NSCL.

« Les gens ont déjà mesuré cette masse, mais ils ne l’ont pas mesurée avec précision », a déclaré Hamaker. « Et cela a révélé une physique intéressante. »

« Lorsque nous effectuons des mesures de masse à ce niveau exact, nous mesurons en fait la masse manquante », a déclaré Ringel. « La masse du noyau n’est pas seulement la somme de la masse des protons et des neutrons qu’il contient. Il y a une masse manquante qui apparaît comme l’énergie qui maintient le noyau ensemble. »

C’est là que l’une des équations scientifiques les plus célèbres permet d’expliquer les choses. en E = mc², la lettre E représente l’énergie et m la masse (c est le symbole de la vitesse de la lumière). Cela signifie que la masse et l’énergie sont équivalentes, bien que cela ne puisse être observé que dans des conditions extrêmes, comme celles du cœur d’un atome.

Lorsqu’un noyau a plus d’énergie de liaison, c’est-à-dire qu’il a plus de force dans sa friction avec les protons et les neutrons, il aura plus masse manquante. Cela permet d’expliquer l’état du zirconium-80. Leurs noyaux sont étroitement connectés, et cette nouvelle mesure a révélé que l’association était plus forte que prévu.

Cela signifie que les théoriciens du FRIB ont dû trouver une explication et peuvent se tourner vers les prédictions d’il y a des décennies pour aider à fournir une réponse. Par exemple, les théoriciens soupçonnaient qu’un noyau de zirconium-80 pouvait être magique.

De temps en temps, un certain noyau casse sa prédiction de masse en ayant un nombre spécial de protons ou de neutrons. Les physiciens se réfèrent à ces nombres magiques. La théorie supposait que le zirconium-80 contient un nombre spécial de protons et de neutrons, ce qui le rend doublement magique.

Des expériences antérieures ont montré que le zirconium 80 ressemble plus à un ballon de rugby ou de football américain qu’à sa forme sphérique. Les théoriciens ont prédit que la forme pourrait conduire à ces doubles magies. Avec la mesure la plus précise de la masse du zirconium-80 à ce jour, les scientifiques peuvent étayer ces idées avec des données solides.

« Les théoriciens ont spéculé que le zirconium-80 était un noyau déformé à double enchantement il y a plus de 30 ans », a déclaré Hammer. « Il a fallu un certain temps aux expérimentateurs pour apprendre la danse et fournir les preuves aux théoriciens. Maintenant que les preuves sont en place, les théoriciens peuvent passer aux prochaines étapes de la danse. »

La danse continue donc, et pour étendre la métaphore, NSCL, FRIB et MSU offrent l’une des meilleures salles de bal pour que vous puissiez jouer. Il dispose d’une installation unique en son genre, d’un personnel expert et du programme d’études supérieures en physique nucléaire le mieux classé du pays.

« Je suis capable de travailler sur place dans une installation d’utilisateurs nationale sur des sujets à la pointe de la science nucléaire », a déclaré Hamaker. « Cette expérience m’a permis de développer des relations et d’apprendre de nombreux membres du personnel et des chercheurs du laboratoire. Le projet a été couronné de succès grâce à leur dévouement envers la science, les installations et l’équipement de pointe du laboratoire.