奇异的原子核揭示了超流体新形式的踪迹

时间:2020-02-23 17:25 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

奇异的原子核揭示了超流体新形式的踪迹

最近对稀有同位素钌-88内部结构的观察为原子核内部结构的研究带来了新的曙光,这一突破也可能使人们进一步了解自然界中某些化学元素及其同位素是如何形成的。

由英国皇家理工学院实验核物理教授Bo Cederwall领导的一个国际研究小组,在极度缺乏中子、变形的88Ru原子核中发现了新的转动状态。结果表明,这种奇特的核系统的结构受到强耦合的中子-质子对的存在的严重影响。

塞德沃尔说:“这种结构与在原子核中观察到的正常情况有根本的不同。在原子核中,中子和质子在不同的系统中成对相互作用,形成一种近乎超流体的状态。”

他说,这些结果还可能为不同化学元素的产生,特别是它们最缺乏中子的同位素,如何在某些恒星环境(如中子星-红巨星双星)的核合成反应中进行,提供另一种解释。

这一发现发表在2月12日的《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志上,结果来自于法国国家大加速器(Grand Accelerateur National d'Ions Lourds, GANIL)使用先进的伽马跟踪阵列(AGATA)进行的一项实验。

研究人员利用核碰撞制造出高度不稳定的原子核,原子核中中子和质子数量相等。利用AGATA等敏感仪器,研究它们的结构,探测它们以高能光子、中子、质子和其他粒子形式发射的辐射。

根据描述基本粒子及其相互作用的粒子物理标准模型,在自然界中一般有两类粒子;玻色子和费米子,分别具有整数和半整数自旋。费米子的例子有像电子和电子中微子这样的基本粒子,也有像质子和中子这样的复合粒子以及它们的基本组成部分夸克。玻色子的例子是基本的力载体;光子,中间矢量玻色子,胶子和重子。

奇异的原子核揭示了超流体新形式的踪迹

根据是基于费米子还是玻色子,粒子系统的性质有相当大的不同。根据量子力学的泡利原理,在一个费米子系统(如原子核)中,只有一个粒子在时空的某一点可以保持一定的量子态。要使几个费米子同时出现,每个费米子至少有一个性质,如它的自旋,必须是不同的。在低温下,许多费米子系统可以表现出成对粒子的凝聚,表现为非带电粒子的超流动性(例如,超流体3He),以及带电粒子的超导性,例如在临界温度以下的超导体中的电子。另一方面,玻色子可以与无数处于同一状态的粒子相互凝聚,这就是所谓的玻色-爱因斯坦凝聚。

在最接近的原子核的β稳定和基态,或兴奋的能量不是太高上面,基本结构似乎是基于pair-correlated冷凝物的粒子与相同的同位旋量子数,但相反的旋转。这意味着中子和质子是分开配对的。这些等导子对的相互关系产生了类似于超流和超导的性质。例如,在变形核中,当核的转动激发能增加时,这种结构表现为转动频率上的不连续。

早在20世纪70年代,KTH退休教授阿恩·约翰逊就发现了这种不连续现象,并将其称为“后弯”。后弯频率是用来测量中子或质子对断裂所需能量的,因此也反映了原子核中一对核子形成所释放的能量。长期存在的理论预测认为,在具有相同数量质子和中子的奇异原子核中,中子-中子对系统可以与标准的等导子对相互关系混合,甚至取代。这种对相关的等标量分量所产生的核结构不同于“普通”原子核中接近稳定的结构。在各种可能的实验观测结果中,预测了不同中子数和质子数的变形核的后弯频率比原子核的后弯频率明显增加。

KTH研究小组此前曾在《自然》(Nature)杂志上发表的文章中观察到,在92Pd球形核中存在着很强的中子-质子相关性。含有44个中子和44个质子的钌同位素88Ru发生了变形,呈现出一种类似于旋转的结构,这种结构的自旋或旋转频率比以前可能的更高。与以前的测量方法相比,新的测量方法对核对相关关系提供了不同的角度。通过证实向更高的后弯频率转变的理论预测,它为在具有相同数量的中子和质子的最重核系统中出现强等量程对关联提供了补充证据。

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