Dubbelmagisk syreisotop ger nya ledtrådar till den starka kraften

Den starka kraften håller samman neutroner och protoner i en atomkärna. Den är en av de fyra fundamentala krafterna i naturen och verkar bara på väldigt korta avstånd. Trots dess betydelse för stabiliteten hos atomkärnor finns det mycket mer att upptäcka kring hur den fungerar. Med en bättre förståelse för den starka kraften kan man beskriva allt från neutronstjärnors inre hemligheter till stjärnors livscykler och hur olika element uppstår.

Forskare har länge velat kunna studera den sällsynta isotopen syre-28 för att lära sig mer om kraftens förmåga att binda ihop neutroner och protoner. Isotopen är extra intressant på grund av dess sammansättning av 20 neutroner och åtta protoner. Just denna kombination kallas för ”dubbelmagisk” av fysiker eftersom den ger möjlighet till en extra stabil struktur med unika egenskaper. Frågan är dock om en dubbelmagisk struktur är tillräcklig för att binda ihop ett så neutronrikt system. Svaret har nu visat sig vara ett nej.

Första observationen av syre-28

I ett storskaligt experiment vid acceleratoranläggningen RIBF (Radioactive Ion Beam Factory) vid det japanska forskningscentret RIKEN har nu den första observationen gjorts av syre-28, genom ett internationellt samarbete under ledning av Tokyo Institute of Technology. Resultatet visar att syre-28 är en partikelobunden atomkärna. Det är revolutionerande eftersom man nu fått svart på vitt var gränsen mellan bundna och obundna system går. Därmed är man nu ett steg närmare att ta fram en modell för hur den starka kraften fungerar.

Forskare vid institutionen för fysik vid Chalmers har deltagit i den banbrytande upptäckten genom teoretiska beräkningar och utvecklandet av den teknik som ligger till grund för experimentet. Professorerna Thomas Nilsson och Christian Forssén är båda medförfattare till den vetenskapliga artikeln i tidskriften Nature där observationen av syre-28 presenteras. De utvecklar varför observationen är viktig:

– Man kan kort och gott säga att man nu kommit till en annan fas i studierna av den starka kraften och utökat vad som är möjligt att göra, säger Thomas Nilsson.

– Just isotopen syre-28 har länge varit en stor fråga i forskarvärlden på grund av det extrema förhållandet mellan antalet neutroner och protoner, tillägger Christian Forssén. Den har varit en av mycket få dubbelmagiska system som funnits inom räckhåll för att både observera och beräkna teoretiskt. Nu har äntligen tekniska genombrott gjort det möjligt.

Uppmättes i neutrondetektor

Syre-28-atomkärnan skapades genom att man ”sparkar ut” en eller fler nukleoner ur en radioaktiv stråle för att göra ett obundet system, en metod som Thomas Nilsson med flera vid institutionen haft en ledande roll i utvecklingen av under närmare tre decennier. Det visade sig att systemet bara existerar under ett förbluffande kort tidsspann, 10^-21 sekunder, och kunde därför enbart observeras i det spontana sönderfallet då fyra neutroner lämnade atomkärnan. Dessa uppmättes via en så kallad neutrondetektor, konstruerad efter ett koncept som till stor del utvecklats av Chalmersgruppen.

– Bara detta att vi nu observerat fyra neutroner samtidigt är en bedrift i sig, det är oerhört svårt att bara detektera en, säger Thomas Nilsson.

Framgångsrika teoretiska simuleringar

När väl mätningarna från experimentet var insamlade krävdes en omfattande dataanalys, vilken utfördes av Tokyo Institute of Technology, samt teoretiska simuleringar. Denna teoretiska studie planerades och genomfördes av Chalmersforskare tillsammans med kollegor vid Oak Ridge National Laboratory och Durham University. Beräkningarna ger en god överensstämmelse med de experimentella resultaten inom uppskattade felmarginaler och har därmed resulterat i en ökad teoretisk förståelse för den starka kraften och strukturen hos syre-28.

– Syre-28 är ett väldigt utmanande test för vår teoretiska beskrivning av atomkärnor och den starka kraften. Modern teoretisk kärnfysik siktar på att konstruera en modell som kan beskriva alla atomkärnor från fundamentala principer. Observationen att syre-28 är obunden lägger en viktig pusselbit till det arbetet, säger Christian Forssén.

Mer om experimentet och dess resultat

• En isotop är en variant av ett grundämne som innehåller ett specifikt antal neutroner och protoner. De mest sällsynta kan bara skapas under extremt korta tidsspann genom astrofysikaliska processer eller i acceleratorexperiment.
• Vid ett framgångsrikt experiment med partikelacceleratorn RIBF vid RIKEN i Japan har man för första gången observerat den extremt neutronrika och mycket kortlivade syreisotopen syre-28, här förkortad 28O, som består av 20 neutroner och åtta protoner. Detta gjordes genom att låta en (radioaktiv) partikelstråle av fluor-29 träffa ett strålmål av flytande väte och detektera de reaktioner varvid 28O producerades genom att en proton slogs ut från en fluor-29-kärna i strålen. Även reaktioner som ledde till bildandet av syre-27 detekterades.
• Den exotiska syreisotopen 28O visade sig vara bara existera under en väldigt kort tid för att sedan spontant sönderfalla till syre-24 plus fyra neutroner. Isotopen är alltså partikelobunden. Alla dessa slutprodukter kunde detekteras i experimentet (trots den stora tekniska utmaningen i att detektera flera neutroner) så att man kunde mäta egenskaper hos den kortvarigt existerande 28O-isotopen. Bland annat kunde man mäta dess livstid som visade sig vara otroligt korta 10^-21 sekunder.
• Neutrondetektorn NeuLAND har konstruerats för användning vid forskningsanläggningen FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) som är under uppbyggnad i Darmstadt, Tyskland, med betydande svenskt engagemang. Experimentet är ett av flera som utfördes då NeuLAND lånades ut till RIKEN för en flerårig experimentkampanj, där bland annat ett korrelerat fyra-neutronsystem observerades med likartade metoder (Observation of a correlated free four-neutron system, Nature, juni 2022.)

Om den vetenskapliga artikeln

• Artikeln First Observation of 28O, publicerad i Nature 30 augusti 2023, har letts av Yosuke Kondo, Tokyo Institute of Technology. Sammanlagt har ett hundratal forskare vid 37 institutioner bidragit till forskningsresultatet.
• Från Chalmers är följande personer medförfattare: professor Thomas Nilsson och Simon Lindberg, före detta doktorand, som deltog i experimentet och har bidragit till neutrondetektorn NeuLAND; professor Christian Forssén, biträdande professor Andreas Ekström, och Weiguang Jiang, före detta postdoc, som har gjort teoretiska studier med en omfattande statistisk analys.
• Beräkningarna har gjorts i samarbete med Gaute Hagen, Thomas Papenbrock and Zhonghao Sun vid Oak Ridge National Laboratory i USA, och den statistiska studien med Ian Vernon, Durham University. En liknande metod användes för beräkningarna i en tidigare artikel publicerad i Nature Physics, augusti 2022; Ab initio predictions link the neutron skin of 208Pb to nuclear forces.
• Även medförfattare Hans Törnqvist samt Matthias Holl är, eller har varit, anställda på Chalmers. De hade dock ingen affiliation till Chalmers när experimentet genomfördes.
• Svensk forskningsfinansiär är Vetenskapsrådet som har bidragit till både den teoretiska och experimentella forskningen med flera projektanslag. Den teoretiska forskningen var även finansierad av europeiska forskningsrådet (ERC). Flera av beräkningarna utfördes på superdatorer vid NSC, Linköping och C3SE, Chalmers genom beräkningsprojekt hos Swedish National Infrastructure for Computing (SNIC).