Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Precyzyjne pomiary neutronowej „skórki” jądra atomu zmieniają wiedzę o gwiazdach neutronowych
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Przed 10 laty 14 września 2015 roku interferometr LIGO zarejestrował pierwsze fale grawitacyjne wykryte przez człowieka (o ich odkryciu poinformowano 11 lutego 2016 roku). Ludzkość zyskała 3. sposób badania kosmosu, po falach elektromagnetycznych i promieniowaniu kosmicznym. Tym razem zaobserwowaliśmy zaginanie czasoprzestrzeni. Obecnie LIGO rutynowo wykrywa fale grawitacyjne. We współpracy z Virgo (Włochy) i KAGRA (Japonia) tworzy sieć LVK, która średnio co trzy dni rejestruje fale pochodzące z połączenia czarnych dziur. Teraz naukowcy z LVK zdobyli drugi w historii, i jednocześnie najdokładniejszy, dowód obserwacyjny, na prawdziwość teorii o powierzchni czarnych dziur Stephena Hawkinga. W przełomowych badaniach brała udział duża grupa polskich uczonych z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika, Uniwersytetu Warszawskiego, Uniwersytetu Jagiellońskiego, Polskiej Akademii Nauk, Uniwersytetu w Białymstoku i Narodowego Centrum Badań Jądrowych.
W 1971 roku Stephen Hawking zaprezentował teorię, zgodnie z którą całkowita powierzchnia horyzontu zdarzeń czarnej dziury nigdy się nie zmniejsza. Pierwsze zarejestrowane przez człowieka fale grawitacyjne pochodziły z wydarzenia GW150914, które po analizie okazało się połączeniem czarnych dziur o masach 29 i 36 mas Słońca. W ich wyniku powstała nowa czarna dziura o masie 62 mas Słońca, a brakujące masa 3 Słońc została wyemitowana w postaci promieniowania grawitacyjnego. Gdy Stephen Hawking się o tym dowiedział, skontaktował się z naukowcami z LIGO i zapytał, czy wykryte zjawisko potwierdza jego teorię o powierzchni. Wówczas jednak naukowcy nie byli w stanie odpowiedzieć na to pytanie. Dopiero w 2019 roku, już po śmierci Hawkinga, stworzono odpowiednie techniki analizy danych. Dwa lata później, w 2021 roku ostatecznie stwierdzono, że obserwacje wykazały, iż powierzchnia wynikowej czarnej dziury się nie zmniejszyła. Dokładność obserwacji wynosiła 95%, czyli około 2 sigma. To zbyt mało, by mówić o odkryciu.
Obecnie nadeszło silniejsze potwierdzenie prawdziwości teorii Hawkinga. Znaleziono je w danych z interferometru LIGO – Virgo i KAGRA były akurat wyłączone – który 14 stycznia bieżącego roku zaobserwował sygnał GW250114. Dostarczył on najsilniejszych dowodów na prawdziwość twierdzenia Hawkinga. ANaliza wykazała, że całkowita powierzchnia obu czarnych dziur, które się połączyły, wynosiła 240 000 km2, a powierzchnia nowo powstałej czarnej dziury to około 400 000 km2. Tym razem dokładność obserwacji wynosi 99,999%. Szczegóły badań opublikowano na łamach Physical Review Letters.
Ten wyjątkowy pomiar był możliwy dzięki 10 latom udoskonaleń interferometru. Prace były prowadzone w obu wykrywaczach, w stanach Waszyngton i Louisiana. Nie wiem, co będzie za 10 lat, ale poprzednie 10 lat to czas olbrzymiego wzrostu czułości LIGO. Dzięki temu nie tylko wykrywamy coraz więcej nowych czarnych dziur, ale zdobywamy coraz bardziej szczegółowe dane na ich temat, mówi profesor Katerina Chatziioannou.
Fale grawitacyjne ściskają i rozciągają przestrzeń o 1 część na 1021, zatem cała ziemia jest ściskana lub rozciągana o około szerokość atomu. LIGO składa się z dwóch bliźniaczych urządzeń umieszczonych w odległości około 3000 kilometrów od siebie. Każde z urządzeń ma kształt litery L o ramionach długości 4 kilometrów. Na końcach ramion znajdują się 40-kilogramowe lustra umieszczone dokładnie w tej samej odległości od lasera. W ich stronę wystrzeliwana jest wiązka lasera, która odbija się od luster i wraca do detektorów. Jeśli w trakcie ostrzeliwania luster laserem przez Ziemię przejdzie fala grawitacyjna, zmieni się odległość pomiędzy jednym z luster a laserem. Zatem światło w obu ramionach przebędzie różną drogę. Między promieniami światła dojdzie do interferencji, a badając ją naukowcy mogą mierzyć relatywną długość obu ramion z dokładnością do 1/10 000 szerokości protonu. To wystarczy, by wykryć zmiany długości ramion interferometru spowodowane przejściem fali grawitacyjnej.
Wykorzystanie dwóch identycznych urządzeń położonych w dużej odległości od siebie ma na celu eliminację części zakłóceń powodowanych źródłami na Ziemi (może zostać zakłócone jedno urządzenie, ale drugie położone tak daleko nie odczuje zakłócenia lub będzie to odczuwalne w inny sposób). Duża odległość pozwala też na dodatkowe upewnienie się, że przeszła fala grawitacyjna. Fale te rozchodzą się bowiem z prędkością światła, dokładnie więc wiemy, jakie może być opóźnienie zarejestrowanego sygnału pomiędzy jednym a drugim urządzeniem. Dzięki odległości dzielącej urządzenia możemy też dokonywać lepszej triangulacji, czyli lepiej określać źródło sygnału, a włączenie do tej sieci Virgo i KAGRA dodatkowo zwiększa precyzję pomiarów.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Rozpad promieniotwórczy to jeden z podstawowych procesów w naturze, w wyniku którego niestabilne jądro atomowe traci energię poprzez promieniowanie. Badanie tego procesu jest niezbędne do zrozumienia właściwości jąder atomowych. A szczególnie cenne jest badanie rzadkich dróg rozpadu, takich jak rozpad z emisją protonu. Naukowcy z Instytutu Współczesnej Fizyki Chińskiej Akademii Nauk i ich współpracownicy poinformowali na łamach Physical Review Letters o uzyskaniu nieznanego wcześniej izotopu glinu-20, który rozpada się drogą emisji trzech protonów.
Glin-20 to najlżejszy ze znanych izotopów glinu. Znajduje się poniżej linii odpadania protonów, ma o siedem neutronów mniej niż stabilny izotop glinu, mówi główny autor badań, profesor Xu Xiaodong.
Szczegółowe badania pokazały, że glin-20 najpierw emituje jeden proton przechodząc w magnez-19, a ten rozpada się poprzez emisję dwóch protonów do neonu-17. Tym samym glin-20 jest jedynym znanym emiterem trzech protonów, którego jądro potomne po rozpadzie emitującym jeden proton jest jednocześnie jądrem emitera dwóch protonów. Badania te powiększają naszą wiedze na temat rozpadu z emisją protonów i pozwalają zdobyć nowe informacje na temat rozpadu jąder poniżej linii odpadania protonów.
Dotychczas odkryto ponad 3300 nuklidów. Mniej niż 300 z nich to jądra stabilne i występujące w przyrodzie. Pozostałe ulegają rozpadowi radioaktywnemu. Kilka powszechnych metod rozpadu, jak alfa, beta minus, beta plus, rozszczepienie czy wychwyt elektronu zostały odkryte do połowy XX wieku. Jednak w miarę postępów fizyki i techniki zaczęto odkrywać egzotyczne typy rozpadu.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
W fizyce jądrowej termin „liczby magiczne” odnosi się do takiej liczby protonów lub neutronów, która zapewnia jądru atomowemu większą stabilność poprzez wypełnienie powłok. Z modelu powłokowego wynika bowiem, że jądra, których powłoki są wypełnione, są stabilniejsze. Obecnie uznane liczby magiczne zarówno dla protonów jak i neutronów to 2, 8, 20, 28, 50, 82 i 126. Jeśli mamy do czynienia z jądrem, dla którego i protony i neutrony występują w liczbie magicznej, mówimy o jądrze podwójnie magicznym. Jądrem podwójnie magicznym jest np. jądro tlenu, zawierające 8 protonów i 8 neutronów.
Jednak wspomniane powyżej liczby odnoszą się do stabilnych izotopów. Znacznie słabiej rozumiemy liczby magiczne dla krótkotrwałych egzotycznych izotopów. Zrozumienie egzotycznych jąder atomów pozwoli nam lepiej zrozumieć samą naturę materii i powstawanie atomów w ekstremalnych środowiskach.
Naukowcy z Instytutu Współczesnej Fizyki Chińskiej Akademii Nauk jako pierwsi precyzyjnie zmierzyli masę egzotycznego bardzo krótkotrwałego jądra krzemu-22. To jądro o bardzo dużym deficycie neutronów. Najbardziej rozpowszechniony izotop 28Si ma 14 neutronów. Tymczasem 22Si ma ich zaledwie 8. Oraz 14 protonów. I właśnie liczba 14 jest, zdaniem chińskich uczonych, liczbą magiczną dla protonów w przypadku jąder egzotycznych.
W ciągu ostatnich lat naukowcy badający egzotyczne jądra doszli do wniosku, że w ich przypadku liczbami magicznymi dla neutronów są 14, 16, 32 i 34. Rzadko jednak udaje się to, co udało się właśnie pracownikom Chińskiej Akademii Nauk – określić magiczną liczbę protonów dla egzotycznych jąder.
Sugestie, że tak może być, pojawiły się w czasie badań nad tlenem-22 (posiada 14 neutronów i 8 protonów). Zauważono wówczas, że 14 neutronów ma w jego przypadku cechy wskazujące na liczbę magiczną. Teoretycy stwierdzili zatem, że w przypadku „lustrzanego odbicia” tlenu-22, czyli krzemu-22 (14 protonów i 8 neutronów) liczba 14 może być liczbą magiczną dla protonów. Badania pokazały, że tak rzeczywiście jest.
Źródło: Z=14 Magicity Revealed by the Mass of the Proton Dripline Nucleus 22Si, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/ffwt-n7yc
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
W Thomas Jefferson National Accelerator Facility dokonano pierwszych w historii pomiarów gluonów wewnątrz jądra atomowego. To duży krok w kierunku poznania rozkładu pola gluonowego (pola Yanga-Millsa) wewnątrz protonu, cieszy się jeden z członków zespołu badawczego, profesor Axel Schmidt z George Washington University. Jesteśmy na pograniczu wiedzy o „kleju atomowym”. W zasadzie nic o tym nie wiemy, więc przydatna jest każda nowa informacja. To jednocześnie niezwykle ekscytujące i bardzo trudne, dodaje profesor Or Hen z MIT.
Gluony to cząstki elementarne pośredniczące w oddziaływaniach silnych. Są „klejem” zlepiającym kwarki, z których powstają protony i neutrony. Z wcześniejszych badań wiemy, jaki jest rozkład gluonów w swobodnych – niezwiązanych w jądrze atomowym – protonach i neutronach. Nie wiemy jednak, jak wygląda on, gdy protony i neutrony znajdują się wewnątrz jądra. Tymczasem na początku lat 80. XX wieku zauważono, że kwarki wewnątrz protonów i neutronów znajdujących się w jądrze atomowym poruszają się wolniej, niż kwarki w swobodnych nukleonach. To zdumiewające zjawisko, nazwane efektem EMC, nie zostało dotychczas wyjaśnione. Naukowcy, którzy chcą się o nim więcej dowiedzieć, badają gluony podobnie, jak badają kwarki. Jednak pomiar rozkładu elektrycznie obojętnych gluonów jest daleko trudniejszy, niż posiadających ładunek kwarków.
Naukowcy z Jefferson Lab przyjrzeli się gluonom i kwarkom, wykorzystując w tym celu mezon J/ψ, czyli czarmonium. Cząstkę tę można uzyskać ostrzeliwując protony i neutrony fotonami. Czarmonium szybko rozpada się na elektron i pozyton. Wykrywanie par elektron-pozyton pozwala obliczyć, ile mezonów J/ψ powstało. Jako że w skład czarmonium wchodzi kwark powabny, którego nie ma w żadnym z nukleonów, wiadomo, że czarmonium powstaje w wyniku interakcji fotonu z gluonem.
Żeby uzyskać czarmonium w wyniku ostrzeliwania swobodnych protonów fotonami – co wcześniej robiono już w Jefferson Lab – trzeba wykorzystać strumień fotonów o dużej energii, co najmniej 8,2 GeV (gigaelektronowoltów). Jednak autorzy najnowszych badań otrzymali czarmonium korzystając z fotonów o mniejszych energiach.
Było to możliwe dzięki temu, że jako cel wykorzystali jądra deuteru, helu i węgla. Nukleony w jądrach atomowych, w przeciwieństwie do swobodnych nukleonów używanych jako cel stacjonarny w badaniach, poruszają się. Doszło więc do połączenia energii kinetycznej poruszającego się nukleonu z energią kinetyczną fotonu, która była poniżej wymaganego minimum, co w rezultacie dało energię powyżej minimum, wystarczającą do powstania czarmonium.
Dzięki takiemu rozwiązaniu uczeni z USA stali się pierwszymi, którzy zbadali fotoprodukcję mezonu J/ψ poniżej minimalnej energii fotonów wymaganej przy stacjonarnym protonie. A ponieważ ich celem były atomy, mierzyli w ten sposób gluony w protonach i neutronach znajdujących się w jądrze atomowym.
Podstawowa trudność w przeprowadzeniu takiego eksperymentu polegała na tym, że nikt wcześniej nie próbował czegoś podobnego, nie wiadomo więc było, w jaki sposób eksperyment przygotować, ani czy w ogóle jest on możliwy. Udało się w olbrzymiej mierze dzięki doktorowi Jacksonowi Pybusowi z Los Alamos National Laboratory. W ramach swojej pracy magisterskiej na MIT wykonał analizę teoretyczną, która zaowocowała zaprojektowaniem odpowiedniego badania. To unikatowe badania zarówno z punktu widzenia z fizyki, jak i techniki eksperymentalnej opracowanej przez magistranta. Nikt z nas, z wyjątkiem Jacksona, nie byłby w stanie tego zrobić, przyznają autorzy badań.
Gdy naukowcy porównali wyniki pomiarów z teoretycznymi obliczeniami, okazało się, że podczas eksperymentu powstało więcej czarmonium, niż przewiduje teoria. To dowodzi, że gluony w związanych nukleonach zachowują się inaczej, niż w nukleonach swobodnych. Potrzeba jednak znacznie więcej badań, by stwierdzić, na czym polegają te różnice. Jednak teraz, gdy wiadomo, w jaki sposób należy przygotować odpowiednie eksperymenty, prowadzenie takich pomiarów będzie łatwiejsze.
Źródło: First Measurement of Near-Threshold and Subthreshold J/ψ Photoproduction off Nuclei
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.