นักฟิสิกส์ไขปริศนา 50 ปี ‘Gamma Bump’ ในการแตกตัวนิวเคลียร์

เป็นเวลาหลายสิบปีที่นักฟิสิกส์นิวเคลียร์ทั่วโลกต่างพากันงุนงงกับสัญญาณปริศนาอย่างหนึ่ง: ชิ้นส่วนจากการแตกตัวของนิวเคลียส (fission fragments) ปล่อยรังสีแกมมาพลังงานสูงออกมามากกว่าที่แบบจำลองการสลายตัวมาตรฐานทำนายไว้ โดยเฉพาะในช่วงพลังงานระหว่าง 3 ถึง 8 MeV สัญญาณส่วนเกินนี้ถูกเรียกว่า "gamma bump" และไม่มีใครสามารถระบุที่มาที่ไปได้อย่างชัดเจน จนกระทั่งตอนนี้

ในการทดลองครั้งเดียวที่เครื่องเร่งอนุภาค GANIL เมืองก็อง ประเทศฝรั่งเศส ทีมนักฟิสิกส์นานาชาติได้ผลิตการวัด "gamma bump" แบบแยกตามไอโซโทปเป็นครั้งแรก โดยสามารถทำแผนที่รังสีส่วนเกินนี้ได้จากนิวเคลียสที่อุดมไปด้วยนิวตรอนมากกว่าหนึ่งโหล ซึ่งก่อนหน้านี้ไม่สามารถเข้าถึงได้ [2, 3, 8] ผลลัพธ์ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Physics Letters B มอบหลักฐานโดยตรงที่เชื่อมโยงรังสีส่วนเกินนี้บางส่วนเข้ากับ Pygmy Dipole Resonance (PDR) ซึ่งเป็นรูปแบบการสั่นไหวแบบรวมหมู่ของผิวหนังชั้นนอกของนิวตรอนในนิวเคลียสที่อุดมไปด้วยนิวตรอน [3, 8]

การทดลองนี้ทำงานอย่างไร

ทีมวิจัยใช้ลำอนุภาคยูเรเนียม-238 ยิงไปยังเป้าหมายเบริลเลียม-9 เพื่อสร้างนิวเคลียสคูเรียม-247 ที่กำลังแตกตัว ในการระบุทั้งชนิดของชิ้นส่วนแตกตัวและรังสีแกมมาที่มันปล่อยออกมา พวกเขาได้เชื่อมต่อเครื่องมือสองชนิดเข้าด้วยกัน ได้แก่ สเปกโตรมิเตอร์แม่เหล็ก VAMOS++ ซึ่งทำหน้าที่ระบุมวลและประจุของชิ้นส่วนแตกตัวแต่ละชิ้น และชุดตรวจวัดรังสีแกมมา PARIS ซึ่งบันทึกสเปกตรัมรังสีแกมมาพลังงานสูง การเชื่อมต่อนี้ทำให้สามารถระบุตัวตนของชิ้นส่วนแตกตัวแต่ละชิ้นและสเปกตรัมรังสีแกมมาได้พร้อมกันในแต่ละเหตุการณ์ [3, 8]

สิ่งที่นักวิจัยค้นพบ

การศึกษาก่อนหน้านี้สามารถวัด 'gamma bump' ได้เฉพาะจากแหล่งผสมหรือไอโซโทปเดี่ยวๆ เท่านั้น การทดลองนี้เป็นครั้งแรกที่ให้การระบุรังสีส่วนเกินตามชนิดของไอโซโทปจากชิ้นส่วนแตกตัวที่อุดมด้วยนิวตรอนหลายชนิดในการวัดครั้งเดียว ข้อมูลแสดงให้เห็นว่าความแรงของ 'gamma bump' แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญในแต่ละไอโซโทป ขึ้นอยู่กับปริมาณนิวตรอนส่วนเกินและโครงสร้างของเปลือกนอก โดยเฉพาะใกล้กับค่านิวเคลียส ' doubly magic' อย่าง ดีบุก-132 [3, 8]

ต้นกำเนิดทางกายภาพ: Pygmy Dipole Resonance

การคำนวณทางทฤษฎีชี้ให้เห็นว่ารังสีส่วนเกินอย่างน้อยส่วนหนึ่งมีต้นกำเนิดจาก Pygmy Dipole Resonance (PDR) ซึ่งเป็นรูปแบบการสั่นไหวแบบไดโพลที่อ่อน โดยชั้นนอกของนิวตรอนส่วนเกิน (ผิวหนังนิวตรอน) จะสั่นเทียบกับแกนกลางที่อุดมด้วยโปรตอน [2, 3] ความแรงของ PDR อยู่ต่ำกว่าคลื่นไหวแบบ Giant Dipole Resonance และเด่นชัดเป็นพิเศษในนิวเคลียสที่อยู่ไกลจากเส้นความเสถียร [3, 8] การเชื่อมโยงนี้ทำให้สามารถเข้าถึงคุณสมบัติของ PDR ในนิวเคลียสที่อุดมด้วยนิวตรอนซึ่งมีอายุสั้นและไม่สามารถศึกษาได้ด้วยปฏิกิริยาโฟตอนหรืออนุภาคแบบดั้งเดิม [3, 8]