Ανιχνεύθηκε πυρήνας αποτελούμενος από δυο νετρόνια μόνο

Posted on 10/03/2012

0


Ένας πυρήνας πλούσιος σε νετρόνια μπορεί να εκπέμψει ένα ζεύγος νετρονίων (dineutron) σαν μια ξεχωριστή οντότητα

Πρόσφατα πειράματα, με πυρήνες που περιέχουν περισσότερα νετρόνια σε σχέση με τα πρωτόνια, έδειξαν ότι τα νετρόνια «σθένους» ζευγαρώνουν σχηματίζοντας dineutrons. Στο πείραμα του National Superconducting Cyclotron Laboratory δημιουργήθηκαν και ανιχνεύθηκαν dineutrons, έξω από τον πυρήνα του ατόμου.

Το να περιέχει ένας πυρήνας μόνον νετρόνια θεωρείται φυσικώς αδύνατον. Κι όμως ερευνητές από το πανεπιστήμιο του Michigan παρατήρησαν έναν «πυρήνα» με δυο νετρόνια – ως προϊόν πυρηνικής διάσπασης – να επιβιώνει για πολύ μικρό χρονικό διάστημα.
Το αποκαλούμενο dineutron είχε παρατηρηθεί έμμεσα στο εσωτερικό πυρήνων πλούσιων σε νετρόνια, αλλά τα νέα πειραματικά δεδομένα που δημοσιεύονται στο Physical Review Letters επιβεβαιώνουν ότι τα ζεύγη νετρονίων (dineutron) μπορούν να υπάρξουν και έξω από τον πυρήνα – έστω και για πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Περαιτέρω έρευνα των εξωτικών αυτών ζευγών θα έδινε μεγάλη ώθηση στην πυρηνική φυσική των αστέρων νετρονίων και των υπερκαινοφανών αστέρων (σουπερνόβα).
Οι δυνάμεις που κρατούν ενωμένα τα πρωτόνια και τα νετρόνια σε έναν πυρήνα ονομάζονται ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις και δεν έχουν κατανοηθεί πλήρως. Οι εξωτικές μορφές της ύλης, όπως τα dineutrons και diprotons (ζεύγη πρωτονίων), δίνουν την ευκαιρία στους ερευνητές να «ωθήσουν» τα μοντέλα τους στα «άκρα» και να δοκιμάσουν την αντοχή τους.
Και τα dineutrons και τα diprotons είναι σχεδόν ευσταθή, οπότε οι ερευνητές αναζητούν εδώ και δεκαετίες σύντομες εμφανίσεις αυτών των σωματιδιακών ζευγών στις πυρηνικές αντιδράσεις.
Οι περισσότερες απ’ αυτές τις αναζητήσεις έψαχναν για diprotons, διότι οι πλούσιοι σε νετρόνια πυρήνες είναι δύσκολο να δημιουργηθούν και τα νετρόνια δύσκολο να ανιχνευθούν. Τα αποτελέσματα των ερευνών αυτών ήταν ασαφή, εν μέρει εξαιτίας του ηλεκτρικού φορτίου του πρωτονίου που μπερδεύει την ανάλυση των δεδομένων.
Τα τελευταία πειράματα με τα πλούσια σε νετρόνια ισότοπα του ηλίου – 6He (2 πρωτόνια, 4 νετρόνια) και 8He (2 πρωτόνια, 6 νετρόνια) – έδωσαν ενδείξεις ότι τα νετρόνια «σθένους» – που βρίσκονται σε τροχιά έξω από το κεντρικό τμήμα του πυρήνα – ζευγαρώνουν σχηματίζοντας dineutron.
To ζητούμενο όμως είναι να δημιουργηθούν dineutrons έξω από τον πυρήνα, σαν προϊόντα διάσπασης, έτσι ώστε να μελετηθούν άμεσα. Οι ερευνητές έψαξαν για deneutrons στις διασπάσεις των πυρήνων υδρογόνου-5 (5H) και ηλίου-10 (10He). Αλλά οι πυρήνες αυτοί συνήθως εκπέμπουν διαδοχικά ένα – ένα τα νετρόνια και όχι κατά ζεύγη.
«Συνήθως όταν ένας πυρήνας μπορεί να εκπέμψει ένα νετρόνιο, τότε απλά συνεχίζει να κάνει το ίδιο», εξηγεί η Άρτεμις Σπύρου από το Michigan State University (MSU). Η ίδια και οι συνεργάτες της έχουν λύσει το πρόβλημα αυτό δημιουργώντας έναν πυρήνα, βηρύλλιο-16 (16Βe) , στον οποίο ευνοείται η εκπομπή ζεύγους νετρονίων. Εκπομπή ενός μόνο νετρονίου είναι απίθανη εξαιτίας του βηρυλλίου-15 που θα προέκυπτε. Ο πυρήνας αυτός είναι ακόμη πιο ασταθής, ως προς την εκπομπή νετρονίων, σε σχέση με το βηρύλλιο-16 .

H πειραματική διάταξη στο National Superconducting Cyclotron Laboratory. Η δέσμη χτυπά το στόχο από βηρύλλιο-9 (πορτοκαλί χρώμα), όπου παράγεται το βηρύλλιο-16. Το Be-16 διασπάται αμέσως εκπέμποντας ένα ζεύγος νετρονίων (dineutron).  Ο θυγατρικός πυρήνας βηρύλλιο- 14 εκτρέπεται από ένα μαγνήτη (κόκκινο χρώμα) προς τους ανιχνευτές με το καφέ χρώμα, ενώ το ζεύγος νετρονίων ανιχνεύεται στην πράσινη διάταξη (Modular Neutron Array – MoΝΑ).

Δεν υπάρχει ένας τρόπος που να παράγει απευθείας βηρύλλιο-16 μέσω κάποιου σταθερού πυρήνα, και έτσι η ερευνητική ομάδα επέλεξε έναν ασταθή πυρήνα, το βόριο-17(17Β) , που λειτουργεί ως ενδιάμεσο «σκαλοπάτι». Πειραματιζόμενοι στο National Superconducting Cyclotron Laboratory στο MSU, απομόνωσαν το βόριο-17 που δημιουργείται από τη σύγκρουση της υψηλής ενέργειας δέσμης νέον (20Ne) ) σε στόχο από βηρύλλιο-9(9Βe) . Στη συνέχεια ενδέχεται εξαιτίας των συγκρούσεων ο πυρήνας του βορίου-17 να «αποβάλλει» ένα πρωτόνιο και να σχηματιστεί ο πλούσιος σε νετρόνια πυρήνας βηρύλλιο-16.
Το βηρύλλιο-16 έχει χρόνο ζωής περίπου 10-21 δευτερόλεπτα και διασπάται σε βηρύλλιο-14 και ένα ζεύγος νετρονίων. Η ανίχνευση και η ταυτοποίηση του βηρυλλίου-14 είναι επίπονη, αλλά και η ανίχνευση των νετρονίων είναι ακόμη δυσκολότερη. Οι ερευνητές συνέκριναν τα πειραματικά τους δεδομένα με προσομοιώσεις σε υπολογιστή εξετάζοντας τα διάφορα σενάρια διάσπασης. Το συμπέρασμα ήταν ότι το σενάριο διάσπασης που περιλαμβάνει το ζεύγος νετρονίων (dineutron) με χρόνο ζωής περίπου 10-22 δευτερόλεπτα ταίριαζε καλύτερα με τα πειραματικά δεδομένα.
«Αυτό είναι ένα ωραίο πείραμα», λέει ο Bertram Blank του Κέντρου Πυρηνικών Ερευνών στο Bordeaux-Gradignan (CENBG) στη Γαλλία. Ισχυρίζεται ότι το dineutron είναι ένας βολικός τρόπος για να εξηγηθούν τα δεδομένα, αλλά η πραγματική κατάσταση των πραγμάτων μπορεί να είναι πιο περίπλοκη.
Ο Witold Nazarewicz του Πανεπιστημίου του Tennessee στο Knoxville πιστεύει ότι αυτό είναι ένα σημαντικό πειραματικό εύρημα, που βρίσκεται σε συμφωνία με άλλες εργασίες που δείχνουν ότι τα νετρόνια σχηματίζουν ζεύγη μεταξύ τους, με τον ίδιο τρόπο που σχηματίζονται τα ζεύγη ηλεκτρονίων στους υπεραγωγούς. O Nazarewicz αναμένει ριχτεί φως – καθώς όλο και περισσότερα δεδομένα συλλέγονται για τα dineutrons – στις καταστάσεις της ύλης που «αφθονούν» τα νετρόνια, όπως είναι τα άστρα νετρονίων και τα σουπερνόβα στα οποία πραγματοποιείται η σύνθεση των βαρέων πυρήνων.
physics.aps.org