十多年前，科学家将镁原子推向了新的极限，将额外的中子干扰到它们的原子核中 - 并且可能达到 - 这个元素的最大限度。
现在，由能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家领导的国际团队已经复制了这种被称为镁-40的外来系统，并收集了关于其核结构的新的和令人惊讶的线索。
“镁-40位于一个十字路口，那里有很多关于它真实情况的问题，”伯克利实验室核科学部的科学家，该研究的主要作者希瑟克劳福德说，2月7日在线发表在物理评论快报杂志。“这是一个非常奇特的物种。”
虽然原子核中质子(具有正电荷)的数量定义了元素的原子序数 - 它位于元素周期表中 - 但中子(没有电荷)的数量可能不同。在自然界中发现的最常见和最稳定的镁原子类型有12个质子，12个中子和12个电子(带负电荷)。
具有不同中子计数的相同元素的原子被称为同位素。研究人员研究的镁-40(Mg-40)同位素有28个中子，这可能是镁原子的最大值。对于给定的元素，核中的最大中子数被称为“中子滴线” - 如果你试图在已经处于能量时添加另一个中子，那么额外的中子将立即“滴”出来。核。
“这是非常中子丰富的，”克劳福德说。“目前尚不清楚Mg-40是否处于滴灌线，但它确实非常接近。这是目前在滴灌线附近实验性地达到的最重的同位素之一。”
滴线附近的原子核的形状和结构对于核物理学家来说特别有意义，因为它可以教会他们关于原子核在极端存在时的行为的基本信息。
伯克利实验室核科学部门的资深科学家保罗·法伦说：“当你接近滴水线时，我们脑海中的一个有趣问题是：'中子和质子的排列方式是否会发生变化?'和该研究的共同作者。“核物理领域的主要目标之一是了解从元素的核心一直到滴灌线的结构。”
他说，这种基本的理解可以为有关爆炸过程的理论提供信息，例如在明星合并和爆炸中产生重元素。
该研究基于日本放射性同位素射线工厂(RIBF)的实验，该工厂位于日本Wako的RIKEN Nishina加速器基础科学中心。研究人员结合了三种回旋加速器的功效 - 这是1931年由伯克利实验室创始人欧内斯特劳伦斯开发的一种粒子加速器 - 用于产生以约60%光速传播的超高能粒子束。
研究小组使用了一个强大的钙离子束-48，这是一种稳定的钙同位素，具有神奇数量的质子(20)和中子(28)，可以撞击几毫米厚的碳盘。
一些钙-48核撞击到碳核中，在某些情况下产生铝同位素，称为铝-41。核物理实验将这些铝-41原子分离出来，然后引导它们撞击一厘米厚的塑料(CH2)靶。这个次级目标的影响将质子从一些铝-41核中撞出，形成了Mg-40核。
第二个目标被伽马射线探测器包围，研究人员能够根据射束 - 目标相互作用中发射的伽马射线的测量结果来研究Mg-40的激发态。
除了Mg-40之外，测量结果还捕获了其他镁同位素(包括Mg-36和Mg-38)的激发态能量。
“大多数模型表示，Mg-40应该看起来与较轻的同位素非常相似，”克劳福德说。“但事实并非如此。当我们看到一些看起来非常不同的东西时，那么挑战就是新理论能够捕捉所有这些。”
由于这些理论现在不同意实验中所见，因此需要进行新的计算来解释Mg-40核与Mg-38和其他同位素相比结构的变化。
法伦说，许多计算表明Mg-40核非常变形，可能是足球形，所以Mg-40中的两个中子可能在核心周围嗡嗡作响，形成一个所谓的晕核而不是被纳入邻近的镁同位素表现出的形状。
“我们推测一些物理学，但这必须通过更详细的计算来证实，”他说。
克劳福德说，额外的测量和理论研究Mg-40，附近的同位素可以帮助确定Mg-40核的形状，并解释导致核结构变化的原因。
研究人员指出，密歇根州立大学正在建设的新DOE科学用户设施的核物理设施稀有同位素光束与伯克利实验室正在建造的伽马射线能量跟踪阵列(GRETA)相结合，将进一步研究核滴灌线附近的其他元素。